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本刊推荐：本研究创新性构建了分区式芯片关节（JoC）模型，通过独立培养3D人源软骨与滑膜构建体，并分别施加机械超载（30% HPC）与炎症因子（TNFα/IFNγ）刺激以模拟骨关节炎（OA）病理特征。该平台实现了对组织间通讯的时空精准调控，证实了发炎滑膜可诱导早期软骨降解，而机械损伤的软骨则促进滑膜巨噬细胞活化与炎症反应，揭示了OA发病中双向的因果关联，为研究关节组织互作及药物筛选提供了强大工具。
骨关节炎（Osteoarthritis, OA）是一种最常见的退行性关节疾病，严重影响活动关节功能，是老年人群致残的主要原因。尽管其患病率高，但目前治疗方法主要以缓解症状为主，无法恢复关节的生理状态，这主要是由于对OA复杂的致病机制，特别是关节内不同组织间相互作用的了解仍不充分。关节软骨退变是OA的一个标志性特征，源于细胞外基质（ECM）代谢失衡，受机械和生化信号调控。同时，滑膜在关节炎症中也扮演核心角色，其中的巨噬细胞和成纤维细胞释放促炎细胞因子和降解酶。然而，在OA发病过程中，软骨与滑膜之间的相互作用机制仍不明确。
器官芯片（Organs-on-Chip, OoC）技术为研究OA中关节组织互作提供了新的途径。早期的微生理模型主要聚焦于软骨细胞的病理生理学研究，虽取得一定进展，但未能涵盖多组织互作的复杂性。近年来，一些研究尝试构建包含软骨与滑膜的联合模型，例如患者特异的关节芯片以及人源间充质干细胞衍生的微型关节系统（miniJoint）。这些模型虽显示出转化潜力，但仍存在一些局限性，例如缺乏免疫组分、无法解析组织特异性方向效应，以及未能整合机械活性环境。
本研究提出了一种新型的分区式芯片关节（compartmentalized joint-on-chip, JoC）模型，该模型能够在微流控平台上独立生成并培养3D人源软骨和滑膜组织，并允许对其通讯进行精确的时空控制。该JoC装置由三个PDMS层组成，自下而上分别为培养腔室层、阀门层和机械驱动层，整体装配于玻璃基片上。
培养腔室层包含两个独立的组织培养区域：滑膜腔室和软骨腔室。滑膜腔室的中央通道宽400 µm，两侧为培养基通道，中间以梯形微柱阵列分隔；软骨腔室中央通道宽300 µm，两侧悬挂T型微柱，不仅用于限制细胞水凝胶，还可通过气压驱动实现对软骨构建体施加30%的压缩应变（HPC），模拟机械损伤。两腔室之间通过一组常闭帘式阀门实现可控连通，阀门在负压作用下开启，允许可溶性因子在腔室间扩散。
技术验证表明，阀门在-580 mmHg时可完全开启，且40 kDa FITC-葡聚糖（模拟细胞因子大小）可在10小时内实现从滑膜腔室到软骨腔室的扩散平衡，证明该平台具备研究组织间旁分泌通讯的能力。机械驱动层经过校准，能够稳定施加超生理压缩，诱导软骨发生OA样改变。
在JoC平台的软骨腔室中，人源原代关节软骨细胞（hACs）包埋于纤维蛋白凝胶中，静态培养14天，成功形成了成熟的软骨微组织。基因表达分析显示，与培养起始时相比，PRG4、COL1A1 和 ACAN 基因表达显著上调，COL2A1 也呈上升趋势。蛋白水平通过免疫荧光染色进一步证实胶原II和聚集蛋白聚糖（aggrecan）的沉积增加。
随后，通过施加周期性机械超载（HPC）7天，成功诱导出OA样表型。HPC样本中促炎基因 IL6 和基质降解酶基因 MMP13 表达显著上调，CXCL8（IL8）也呈上升趋势。虽然 COL2A1 和 ACAN 的基因表达未见显著变化，但蛋白免疫荧光显示HPC样本中MMP13表达增加而aggrecan沉积减少，同时软骨关键转录因子SOX9表达下降。这些结果与课题组之前的研究一致，证实了机械 overload 在OA发病中的主导作用。
在滑膜腔室中，将人源单核细胞衍生的巨噬细胞（MΦs）与滑膜成纤维细胞（SFBs）以1:1比例共培养于纤维蛋白/胶原凝胶中，培养长达7天，细胞存活率始终高于90%。基因表达分析显示，造血标志物 PTPRC（CD45）表达稳定，表明巨噬细胞存活良好；同时，COL1A1、COL4A1 和 PRG4（润滑蛋白）表达上调，表明滑膜组织发生成熟。蛋白水平也检测到润滑蛋白和胶原I的沉积。
为模拟滑膜炎，在培养初期（0-3天）使用TNFα（100 ng mL−1）和IFNγ（100 ng mL−1）对滑膜构建体进行刺激，随后撤除刺激物继续培养至第7天。炎症刺激导致 PRG4 表达下调，促炎及降解相关基因如 IL6、CXCL8（IL8）和 MMP1 显著上调。巨噬细胞M1表型标志物 CD80 表达上调，而抗炎标志物 CD206 和 CD163 表达下降。
流式细胞术和免疫荧光结果进一步在蛋白水平验证了炎症诱导效果：CD80和CD86表达增加，且部分炎症效应在刺激撤除后仍得以维持。多重ELISA（Luminex）分析显示，炎症滑膜分泌的IL6、IL8、MMP1、CCL2、CCL5和可溶性ICAM-1均显著增加，而IL10水平较低。这些结果表明，该模型成功模拟了OA中滑膜炎症的关键特征。
利用JoC平台的分区特性，先独立培养软骨（14天）与滑膜（0天起始），随后在培养第17天开启阀门允许组织通讯，共培养至第21天。在健康组织共培养体系中，软骨的存在引发了滑膜中 IL6 和 MMP1 的轻微上调；而滑膜的存在则促进了软骨中 ACAN、COL10A1 和 MMP13 的表达，提示即使生理条件下组织互作也可能影响组织稳态。
为探究病理条件下的互作，研究设计了两种情境：
其一，考察发炎滑膜对健康软骨的影响。结果显示，与炎症滑膜共培养后，软骨表现出 COL2A1 表达下降，IL6、IL8 和 MMP13 表达上调，aggrecan 沉积减少而MMP13表达增加。同时，软骨分泌的IL10和TIMP1减少，表明发炎滑膜可诱导软骨发生早期炎症和降解反应。
其二，探究机械损伤软骨对健康滑膜的影响。施加HPC的软骨与滑膜共培养后，滑膜中润滑蛋白和胶原I表达增加，同时巨噬细胞M1标志物CD80和CD86表达上调，但炎症因子IL6和IL8的分泌反而减少，并伴有TIMP1水平下降和骨桥蛋白（osteopontin）轻微上升。这表明机械损伤的软骨可能优先触发滑膜中巨噬细胞的活化及早期组织重塑反应，而非强烈的炎症因子风暴。
本研究成功开发了一种功能化的分区式芯片关节模型，能够独立培养人源软骨与滑膜组织，并实现其双向可控通讯。该平台不仅支持通过机械超载诱导软骨OA样变，也允许通过 cytokine 刺激诱发滑膜炎，从而为研究OA发病初期组织间相互贡献提供了独特工具。
实验结果表明，软骨与滑膜之间存在双向互作：发炎的滑膜可诱导健康软骨发生早期降解和炎症反应；而机械损伤的软骨则倾向于激活滑膜中的巨噬细胞并引发组织重塑。这支持了OA作为一种全关节疾病，其发病可能涉及多组织、多因素相互交织的复杂网络。
本模型的优势在于其高度可控性和时空解析能力，允许研究者独立操控特定组织的微环境并观察其效应，这是传统体外模型或动物模型难以实现的。尽管本研究未涵盖血管化、免疫细胞招募或骨组织等更多关节组分，JoC平台仍为未来构建更全面的关节仿生系统奠定了坚实基础，并有望应用于致病机制解析、药物筛选及个体化治疗策略开发。
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