骨关节炎（Osteoarthritis, OA）是一种常见的全关节退行性疾病，传统治疗多局限于症状缓解，难以实现结构修复。尤其是在颞下颌关节骨关节炎（TMJOA）中，过度机械负荷常导致软骨祖细胞耗竭，加速关节软骨退变。如何将病理性的力学刺激转化为有益的治疗信号，是组织再生领域的重大挑战。

近日，北京大学口腔医学院傅开元教授团队与邓旭亮教授、刘洋研究员团队在期刊 Advanced Science 上发表了最新研究成果：“Mastication-Induced Electrical Stimulation Activates Prg4+ Chondroprogenitors for Osteoarthritis Therapy”。该研究的第一作者为颞下颌关节病及口面痛治疗中心的冯诗阳，共同第一作者为口腔材料研究室的博士生成京蓉。研究团队开发了一种咀嚼驱动的镁掺杂压电纳米纤维膜（MagPie），该材料能够在咀嚼运动过程中将髁突表面过度负载的力学刺激转化为局部电刺激、释放Mg²⁺并中和酸性微环境，从而激活内源性Prg4⁺软骨祖细胞，促进软骨再生。

图1：MagPie材料结构及表征。

研究团队发现，传统压电PLLA材料在TMJOA模型中效果不佳，主要原因是其降解产物导致局部酸化。为此，他们通过在PLLA纳米纤维中掺入MgO，制备出兼具压电响应、Mg²⁺缓释和pH中和能力的MagPie材料。体外实验表明，在周期性压力刺激下，MagPie显著促进软骨细胞合成COL2A1、抑制MMP3、MMP13和iNOS表达，并增强细胞迁移能力。体内实验证实，MagPie植入可显著恢复ADD诱导的TMJOA模型中关节软骨完整性，减少软骨细胞凋亡，改善软骨下骨硬化，并抑制病理性新生血管侵入。

图2：MagPie在体内促进TMJOA大鼠软骨与骨结构修复。

单细胞RNA测序显示，MagPie植入显著扩增一类电敏感性Prg4⁺软骨祖细胞群。该细胞群位于软骨表层，表达电压门控离子通道基因，并具有典型的干/祖细胞特征。伪时间轨迹分析表明，Prg4⁺细胞由表层细胞分化而来，并参与软骨基质的修复过程。

图3：单细胞转录组鉴定Prg4⁺细胞为MagPie响应的关键软骨祖细胞群。

机制研究进一步表明，MagPie通过激活Prg4⁺细胞中的ECM介导的FAK-PI3K-Akt信号轴，促进其合成代谢功能。同时，MagPie还调控关节微环境中的巨噬细胞极化，推动其向抗炎M2表型转变，并与Prg4⁺细胞形成协同修复通讯网络。

图4：MagPie调控Prg4⁺细胞与巨噬细胞之间的对话。

最后，通过AAV介导的Prg4基因敲低实验，证实Prg4是MagPie发挥治疗作用的关键靶点。敲低Prg4后，MagPie对软骨和软骨下骨的保护作用显著削弱，关节退变加重，进一步确立了Prg4⁺细胞在压电刺激介导的软骨再生中的核心地位。

图5：Prg4敲低削弱MagPie的治疗效果。

综上所述，该研究提出了一种“变废为宝”的治疗策略，将TMJOA中原本有害的过度负荷，通过MagPie转化为有益的电刺激和镁离子信号，从而激活内源性Prg4⁺软骨祖细胞，实现软骨与骨组织的协同修复。该策略为骨关节炎的物理调控治疗提供了全新思路，并为开发智能、可降解、力学响应的生物电子材料奠定了理论基础。

论文链接：http://doi.org/10.1002/advs.75725