碳基生命大抵不会浪费任何一种分子设计，糖质又何尝不可是组织再生的肱骨之臣？

窥见软骨糖科学

糖胺多糖（glycosaminoglycan, GAG），一种由重复二元序列组成的线性多糖，广泛分布在所有哺乳动物胞外基质中，可结合蛋白形成糖蛋白。著名的软骨标志物aggrecan，即是典型的糖蛋白，由中心蛋白结合硫酸软骨素、硫酸角质素构成。其吸水、结合离子或蛋白的“海绵”效应，不仅支持了软骨润滑、抗压等性能，还有效维持透明软骨细胞表型，不可或缺。然而，随着年龄增长，关节软骨中GAG代谢逐渐失去平衡，其合成减弱或降解加剧。在影响全球超五亿人口的骨关节炎（osteoarthritis, OA）疾病中，我们可观察到一个典型的病理现象：软骨表面GAG不可逆性流失，软骨润滑、支撑的性能严重丧失（图1左）。可见GAG的重塑对软骨健康至关重要。

近日，浙江大学基础医学院/良渚实验室欧阳宏伟教授团队，联合美国哥伦比亚大学 Kam Leong 教授和浙江大学魏威研究员团队，提出了一种利用分子互作原理富集软骨GAG的软骨再生策略，概念性证明了直接操控GAG可作为组织再生的手段之一（图1右）。研究中使用一种阳离子聚合物聚凝胺（hexadimethrine bromide, HDMBr）作为一类“GAG组装器”的代表分子，实现基于分子间互作引力，高效驱动GAG在组织细胞内外的组装、运输和驻留，调控软骨基质稳态，实现大尺寸缺损中透明软骨的快速再生整合；并在骨关节炎模型中的助力软骨增厚，减少基质流失和纤维化，为软骨再生带来新修复策略和理念。2025年6月25日，该研究以“A cationic polymer drives glycosaminoglycan assembly and secretion for preclinical osteoarthritis therapy”为题，发表于Science Translational Medicine上。

图1：糖胺多糖(GAG)在骨关节炎(OA)中的流失及研究概念图

左：健康和OA的软骨组织番红O-固绿染色对比图，及健康和OA的透明质酸-Aggrecan糖蛋白复合物示意对比图

右：阳离子聚合物（Cationic polymer）促进胞内GAG运转分泌，并促进细胞周GAG驻留，维持软骨微环境

面对基质再生难题

糖质不由基因直接编码，通过基因编辑操控GAG似乎“隔靴搔痒”。按“缺啥补啥”的思路，关节腔注射透明质酸或者口服氨糖确实可行，但补充剂很快流失，或无法定向整合入软骨。组织工程仿生支架或自体软骨细胞移植，不尽适用于骨关节炎。干细胞细胞治疗，也并不尽适合再生富含GAG的透明软骨。

为了实现直接操控GAG重塑微环境，研究者受到了“分子机器”这个概念的启发。“分子机器”是一类特殊的分子或复合物，比喻其在微观层面具备宏观机器一样的功能，可在特定刺激下像完成某种复杂（机械）任务，如调控靶分子的构象、位置、组装等。这个概念源于却不局限于化学领域，也可推广至描述生物体中各类天然复合物及带领科学家探索其驱动的奇妙过程。于是，该文研究者决定借助分子间作用力，利用一种带正电荷的阳离子聚合物，去结合带负电的GAG，从而影响GAG的空间分布和细胞代谢。研究假说中，它可行使的功能包括：1）利用电荷吸引力，阳离子聚合物渗透进入带负电的软骨组织。2）阳离子聚合物在原位锚定细胞外GAG，维持利于软骨细胞的微环境。3）阳离子聚合物或可进入细胞内，结合GAG合成过程中的前体产物，或参与GAG的生物过程，调控细胞对GAG的代谢水平。

辅助GAG锚定，也驱动GAG 组装

研究人员通过尝试多种常用阳离子聚合物，最终锁定了聚凝胺HDMBr，其电性较为适中，在低浓度使用情况下不会打破微环境电荷平衡。经过筛选，研究者发现HDMBr可显著促进间充质干细胞向软骨分化（图2）。

图2：HDMBr促进间充质干细胞向软骨体外分化

HDMBr可促进带负电的细胞膜与周围基质整合。细胞分泌的GAG易被阳离子聚合物锚定在细胞周围，这对软骨分化、维持微环境有所助益（图3）。HDMBr也可增加细胞膜通透性，从而增加GAG合成所需原料（如葡萄糖）的摄入量，从而间接促进GAG的合成代谢。

图3：HDMBr帮助GAG在细胞周围锚定，处理后的组织中含有更多基质填补

有趣的是，在透射电镜观察中，研究者还在HDMBr处理后的间充质干细胞中观察到了更多的分泌囊泡，以及GAG（硫酸软骨素）的局部聚集（图4、5）。在分泌囊泡中，发现了待分泌的基质以圆形聚集物形式被运输着，这种现象在对照组中并未发现。这些聚集物被分泌出细胞后，也可经HDMBr锚定聚集在细胞膜周围。这其中的机制，可能包括HDMBr可促进生物膜重塑出芽形成了更多囊泡，增加运输载体；也包括其可促进GAG局部聚集，形成富含GAG的高浓度聚集物，增加单位空间的GAG装载量。

多方数据佐证了以上假说。蛋白质谱显示，细胞中GAG前体物代谢、GAG胞内运输相关的过程有所上调（图4）。利用STEM-EELS（扫描透射电子显微镜-电子能量损失光谱）等原位表征实验，佐证了细胞中的圆形聚集物具有和硫酸软骨素-HDMBr复合物相似的特征。利用分子动力学模拟，展示出代表性GAG硫酸软骨素和阳离子聚合物HDMBr，通过电荷吸引和范德华力等，相互缠结，逐渐聚集成更浓缩的分子复合物的过程（图5）等。这些提示了HDMBr可以使胞内局部单位空间中（如运输囊泡里）存在更多的GAG含量，从而加快它的运转效率。

图4：HDMBr促进GAG胞内代谢和运输

图5：HDMBr促进细胞内外GAG（如硫酸软骨素）形成高浓度圆形聚集物

多场景证实体内功效

研究人员验证了在低剂量长期作用情况下，HDMBr在软骨和主要脏器中不引起显著毒性反应。并且原位表征提示HDMBr可以在关节软骨中长期驻留。于是，研究者将其运用于不同软骨修复情景中。在难以自愈的兔大尺寸骨软骨缺损模型中，研究人员利用前期开发的“关节油漆”仿生水凝胶原位负载缓释HDMBr，对缺损进行治疗。被HDMBr水凝胶填充的组织，在更早的时间点（术后6周）新生出了透明软骨样组织；并在长时程观察中（术后12周）表现出更完整的的关节表面再生和骨软骨组织整合，关节表面纤维化也有所改善（图6）。

图6：软骨仿生“关节油漆“水凝胶负载HDMBr促进大尺寸骨软骨缺损愈合

HDMBr也被应用于大鼠骨关节炎模型中。在8周模型观察中（图7），研究人员把HDMBr和现有代表性临床疗法（糖皮质激素，透明质酸，间充质干细胞）进行了比较。相较于糖皮质激素和透明质酸的注射，HDMBr具有显著改善软骨基质降解、促进软骨增厚的效果。并且，HDMBr单独、或和间充质干细胞联合使用时，也可改善关节表面的纤维组织堆积。这种效应可能源于关节表面GAG富集对纤维组织的抑制。在16周模型观察中，HDMBr比临床使用的透明质酸具有更显著的预防基质流失，维持软骨厚度的效果。

图7：关节腔注射HDMBr缓解骨关节炎进展，维持软骨基质稳态，促进软骨增厚

启示：靶向基质新视角

疾病缓解性骨关节炎药物（Disease-modifying osteoarthritis drug，DMOAD）的开发可不只瞄准软骨细胞，也可以放眼于广泛分布在胞外的糖糖脂。毕竟细胞只占软骨总重量的1-5%，而GAG约占据成人软骨干重的15%。HDMBr可直接操控GAG的驻留，甚至渗透到达软骨细胞，无处不在的分子间作用力驱动着它高效推进GAG的原料摄入，胞内运输，分泌至胞外，胞外锚定，形成代谢流转闭环。虽然HDMBr的使用具有一定隐患，比如会渗入滑膜或长期驻留产生副作用。研究者故意使用极低的浓度（体内剂量3 ~10×10-4 mg/kg，对应前人研究的1/100剂量），并利用水凝胶缓释或分批次注射，以规避该问题。并且在未来，将会考虑递送优化、开发低毒性替代物等方向。尽管如此，该研究仍然概念性证明了，GAG的直接操控是一种高效再生关节软骨的新策略。

启示：胞内宇宙的大分子搬运

细胞是一个含有千万分子的微缩宇宙。在这个高度秩序的空间中，大分子通过组装折叠以便在有限空间内进行碰撞反应，创造出无数惊人的生命过程。HDMBr的功能似乎遵循了这个原理，让高浓度GAG在局部聚集，在单位空间中增加了运输效率。有趣的是，相较文中所试验的另外两种聚合物（聚乙烯亚胺Polyethylenimine和多聚赖氨酸Polylysine），HDMBr更能够使GAG组装成具圆形聚集物，而不形成引起细胞破裂的簇状固体聚集物。且这种圆形聚集物在一定条件下保持流动性。这提示HDMBr的作用力或正好落在能被生命体耐受的平衡范围内。低浓度HDMBr恰好足够完成GAG的吸引驱动，而引起生物平衡的过度破坏。这为未来细胞-材料互作机理的研究提供了奇妙的线索。

随着研究的深入和技术的不断完善。无论是通过从头设计，还是表型筛选的方式，研究者期待能研发出更加安全高效的“GAG组装器” 。糖科学中仍有诸多未知等待探索，而以胞外基质为调控靶点的治疗新策略，也需更加成熟的开发范式。这或成为骨关节炎预防和组织再生重塑的前景方向。

浙江大学爱丁堡大学联合学院研究员陈奕姗为本文的第一作者，浙江大学医学院孙伟博士、文雅博士，良渚实验室“百人计划”研究员王小召为本文的共同第一作者。浙江大学基础医学院/良渚实验室欧阳宏伟教授，美国哥伦比亚大学生物医学工程系Kam W. Leong教授，浙江大学“一带一路”国际医学院研究员魏威为该文的通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划2022YFA1106800和国家自然科学基金T2121004、82394441、U23A6009等的资助。