三、复合小分子化合物生物材料在软骨修复再生中的应用
与骨不同，软骨缺乏内在修复潜能。软骨缺乏血管形成，同时致密的ECM结构阻碍生长因子和软骨细胞（负责关节软骨更新的细胞类型）迁移至缺损部位。因此，创伤和老化引起的损伤促进关节表面软骨的逐渐消耗，导致关节活动度受限、关节疼痛和退行性骨关节炎（OA）。
OA是退化性关节疾病，其特征表现为慢性关节软骨侵蚀，ECM（蛋白多糖和Ⅱ型胶原蛋白）的丧失、纤维化、软骨下硬化和骨骼过度生长，但OA潜在的发生机制尚不明确。目前认为，它是机械性变性的组合，与软骨细胞活性下降及ECM的重新分布导致关节力量的再分配有关。其中衰老造成的软骨细胞及成纤维细胞样滑膜细胞分泌大量的促炎因子和基质降解因子是导致软骨细胞活性下降及ECM重新分布的重要原因。手术干预，如微骨折手术、自体软骨细胞植入（ACI）已用于临床实践超过20年。后者是在清创的软骨缺损处植入软骨细胞并覆盖骨膜瓣或胶原膜，同时复合软骨细胞的3D胶原蛋白或透明质酸基质的植入物。然而，该方法与骨移植具有相同的缺点，如移植物的机械性能不稳定、纤维软骨形成，均造成该植入体的性能比原生软骨差。目前，已开发出多种具有促进细胞软骨分化及软骨修复作用的小分子化合物。
通过局部输送小分子化合物诱导内源性再生潜能已经成为软骨再生研究中的热点。通常使用生物活性生长因子来诱导干细胞分化成软骨细胞。然而，已经发现一些天然的或合成的小分子化合物也能够诱导/促进干细胞成为软骨细胞。
软骨修复相关的小分子化合物复合生物材料
1.苦参素（KGN）
KGN是杂环类药物分子。KGN以剂量依赖的方式促进hMSC的成软骨分化。当用KGN处理hMSC和软骨细胞时，与对照组相比，Ⅱ型胶原（CollaⅡ）、聚集蛋白聚糖和金属蛋白酶Ⅰ抑制剂的表达水平上调，表明KGN诱导软骨发生并获得软骨细胞表型。KGN能够结合交联肌动蛋白，该蛋白与肌动蛋白微丝的丝素蛋白A相结合，然后干扰丝裂素A与转录因子核心结合因子β亚基（CBFβ）之间的相互作用，最终通过调控CBFβ-Runx1的转录程序促进软骨细胞分化。此外，KGN通过透明质酸-CD44路径来保护软骨。
KGN作为一种新型小分子药物，已经引起广泛重视。Kang等通过离子胶凝法将KGN与各种分子量的壳聚糖共轭，然后生成结合KGN的壳聚糖小颗粒（纳米颗粒和微米颗粒），治疗骨关节炎。该载体能够持续释放KGN达7周。在大鼠关节手术模型中发现，KGN复合系统可以诱导hMSC软骨形成，并显著降低关节的退行性改变。因此，KGN在软骨再生和退行性疾病，如骨关节炎的治疗中具有巨大潜力。
2.TD-198946
TD-198946是由Yano等使用Col2GFP-ATDC5系统发现并合成的噻吩吲唑衍生物。TD-198946诱导C3H10T1/2细胞合成软骨基质，并以剂量依赖方式增加软骨形成标志物Col2a1和软骨蛋白聚糖（Acan）的内源性表达。另外，与BMP-2和TGF-β1相比，TD-198946是一种更有优势的药物，它能够诱导软骨细胞再分化，从而抑制软骨细胞的过度生长或去分化，这在软骨重建中具有重要意义。另外，通过 Runx1的小干扰 RNA（siRNA），初步证实了TD-198946通过诱导Runx1表达来发挥软骨分化作用。
TD-198946是新发现的化学合成小分子，其具体作用机制尚在进一步研究中。最近，将 TD-198946与生物材料相结合构建细胞膜片用于软骨重建。软骨细胞和hMSC培养在TD-198946处理的聚（N-异丙基丙烯酰胺）材质的温敏性培养皿中形成软骨细胞膜片，并将该膜片用于软骨缺损部位，成功修复软骨缺损。因此，TD-198946是软骨修复工程的理想的刺激分子，有利于软骨疾病的治疗。
3.前列腺素
前列腺素是细胞花生四烯酸的代谢物，在多种组织，包括软骨中发挥调节分子的作用。其中前列腺素E2（PGE2）在软骨中最为丰富，并且以剂量依赖方式在体外诱导干细胞的软骨分化，可能通过增加环磷酸腺苷（cAMP）水平来诱导软骨方向分化。然而，也有研究显示PGE2通过cAMP依赖性途径导致牛关节软骨细胞的凋亡。且PGE2在特定浓度范围内能够抑制软骨细胞分化。因此PGE2在软骨修复中作用尚需进一步确定。
4.氨基葡萄糖（GlcN）
GlcN包括透明质酸/硫酸软骨素和硫酸肝素，通常从几丁质、糖蛋白和糖胺聚糖中获得的天然氨基单糖。GlcN处理hMSC后，细胞中CollaⅡ和聚集蛋白聚糖的表达水平增加，表明hMSC向软骨分化。此外，GlcN通过增强硫酸化蛋白聚糖的积累，抑制基质金属蛋白酶13（MMP-13）和基质降解酶的表达维持软骨细胞表型。此外，葡萄糖硫酸盐上调聚集蛋白聚糖核心蛋白mRNA的表达，同时抑制基质降解酶MMP-3的产生和活性，这有助于预防关节软骨损耗，发挥软骨保护作用。因此，GlcN主要通过抑制体内软骨基质的降解，而不是恢复软骨结构来发挥作用。
负载GlcN的载药体系也已经被用于软骨修复。2006年，Hwang等制备包裹GlcN的PEG水凝胶。含有GlcN的水凝胶能够促进小鼠ESC向软骨细胞分化。尽管如此，在GlcN用于临床治疗之前还需要更多的研究数据的支持。
5.DEX
DEX不仅诱导成骨，而且诱导干细胞的软骨形成。Derfoul等发现糖皮质激素（GC）在hMSC的成软骨分化中发挥重要作用。GC通过糖皮质激素受体（GR）直接调节软骨基质基因的表达水平来促进软骨形成。此外，DEX提高了蛋白聚糖和ColⅡ蛋白的表达，这对于维持软骨细胞表型至关重要。除hMSC，DEX以剂量依赖的方式有效地诱导兔骨髓MSC和小鼠ESC的软骨方向分化。DEX还能够降低基质金属蛋白酶的合成，从而抑制胶原降解。
Bae等在2010年对体内释放DEX载体系统进行了研究。作者制备了具有不同释放曲线的含DEX的无孔（NPMS）和多孔（PMS）PLGA 支架，且将NPMS和PMS支架与水凝胶复合，并进一步将大鼠MSC负载其中。然后将构建好的支架注射到裸鼠皮下。通过检测软骨特异性标志证实移植MSC体内分化为软骨细胞。然而，Silbermann等体外研究结果提示DEX能够降低胶原蛋白的合成，阻碍了髁突软骨的生长，说明DEX对软骨形成的作用存在争议，尚需进一步明确。
6.其他
除上述小分子化合物，双丁酰环AMP（dbcAMP）也具有促进软骨形成的作用，但是其促进作用与小鼠损伤部位及损伤修复的时期有重要关系。dbcAMP通过促进非软骨细胞向软骨细胞的分化来发挥软骨修复作用。另外，RA能够对干细胞的软骨方向分化起到双向调节的作用。低浓度RA起到促进作用，而高浓度RA则抑制软骨形成。此外，乙醇显著促进胚胎MSC向软骨细胞分化，并通过增加Ⅱ型胶原蛋白和聚集蛋白聚糖mRNA的表达增强软骨基质形成。遗憾的是，尚未见这些小分子化合物与生物材料结合促进软骨修复的相关报道。
因此，小分子化合物结合生物材料是治疗骨及软骨疾病十分具有前景的策略。但是小分子化合物真正应用于临床还需要大量的前期研究，在将来的研究中应进一步加强小分子化合物复合生物材料的体内研究，为其临床应用提供更多的依据。