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科研新進展:關節軟骨再生獲重大突破
時間:2022-02-21 17:34:32  作者:lfy  來源:生物谷
再生醫學網獲悉,為解決這一難題,來自美國康涅狄克大學的研究人員們提供了一個新招:聚L-乳酸(PLLA)納米纖維制作的生物可降解支架,具有壓電特性,植入后,當關節產生擠壓時,產生微電流,在走路之類的會讓關節規律運動的情況下,PLLA支架會產生微弱但恒定的電場,促進干細胞的軟骨分化,這個過程不需要在支架上額外添加生長因子或干細胞。
  關節是人體的重要器官,它起到了支撐人體活動的重要作用。而在關節結構中,軟骨最不起眼,但又至關重要。在過去,針對軟骨損傷,臨床上主要以常規療法或自體軟骨移植治療為主。但需要指出的是,這些治療方法大多效果欠佳,無法達到患者的預期目標。

  再生醫學網獲悉,為解決這一難題,來自美國康涅狄克大學的研究人員們提供了一個新招:聚L-乳酸(PLLA)納米纖維制作的生物可降解支架,具有壓電特性,植入后,當關節產生擠壓時,產生微電流,在走路之類的會讓關節規律運動的情況下,PLLA支架會產生微弱但恒定的電場,促進干細胞的軟骨分化,這個過程不需要在支架上額外添加生長因子或干細胞。
  研究人員不僅揭示了這其中的機制,還在軟骨損傷嚴重的骨關節炎兔子模型中驗證了支架的有效性,植入支架并進行運動恢復后的1-2個月,兔子經歷了完整的軟骨再生和愈合,可以在跑步機上正常地迎阻力而上。這項研究成果以封面研究的形式發表在了《科學·轉化醫學》雜志上。
  研究的通訊作者Thanh Nguyen的實驗室一直在研究軟骨再生,雖然很早以前,科學家們就已經知道軟骨對電刺激很敏感,可以利用電刺激促進軟骨修復,生物電在體內無處不在,也被認為是促進組織再生的因素之一。
  但植入電刺激設備可能會導致感染和疼痛,無創的外部電磁場設備效果又不好,相比之下,壓電材料是最好的選擇,它們在被擠壓或發生其他變形時都可以產生電流,植入后在關節運動時就可以產生電刺激,但常見的壓電材料都是不可降解的或者有毒性的,安全性不夠。
  正巧,Nguyen的博士和博士后生涯研究的內容涉及生物可降解材料技術平臺以及生物界面納米壓電學(Biointerfaced Nanopiezoelectrics),此前,他的團隊報告了PLLA生物可降解壓電納米纖維的可用性,這就為本次研究奠定了堅實的基礎。
  這次,他們首先驗證了PLLA壓電納米纖維薄膜制作的3D軟骨支架植入兔子體內后,在兔子的關節運動壓力下,可以穩定的地產生電流,支架是用膠原蛋白粘合的,膠原蛋白黏附層的空間為細胞提供了生長空間。
  體外實驗顯示,用適當的機械壓力刺激支架,相比不具有壓電性能的支架,兔子脂肪來源的干細胞遷移速度更快,并且更多地向軟骨細胞分化,相關基因的表達,以及糖胺聚糖(GAG)和II型膠原蛋白的水平顯著增加,支架對脂肪來源的干細胞也沒有產生毒性。
  接下來就是在體內再次驗證這一現象的時間了,研究人員選擇了重約3kg的骨關節炎兔子,通過手術給它們的膝關節植入支架,術后休息1個月,然后開始進行運動訓練,每天在跑步機上跑20分鐘,分別在堅持運動1個月和2個月后對軟骨的恢復情況進行記錄。
  相比假手術組和非壓電支架組,壓電支架組兔子的軟骨再生更多,關節表面更平滑,植入物與軟骨的整合性更好,再生的軟骨呈有光澤的白色,2個月時的軟骨體積顯著高于1個月時的測量結果(P=0.03)。和體外實驗一致,壓電支架組GAG和II型膠原蛋白的水平也顯著增加。
  在最后的實驗中,研究人員發現了三個PLLA壓電納米纖維支架促進軟骨恢復的潛在機制。首先,壓電支架相比非壓電支架能夠吸附更多的纖維連接蛋白,這是組織愈合的第一階段;第二,壓電刺激使得細胞中的轉化生長因子-β1(TGF-β1)水平增加,TGF-β1在干細胞成軟骨分化過程中起著重要作用,也是體外成軟骨培養基中的重要成分;第三,壓電刺激部分增加了電壓門控鈣離子通道(VGCC)的打開,增加了鈣離子向細胞內流入,增加了軟骨形成。
  對于這個研究成果,Nguyen表示非常激動,但他也指出,我們要謹慎地看待,因為兔子體型較小,未來還需要在體型更大、更接近人類的動物中進行測試,另外,要延長觀察時間,至少1-2年,以確?;謴秃蟮能浌堑哪陀眯?,還要考慮在老年動物中進行測試,它們的愈合和恢復更艱難,但只有在這些方面繼續取得成功,才能讓更多的患者獲益。
  軟骨損傷是一種常見的現象,尤其是隨著年齡增長,或者疾病因素,關節軟骨會磨損,從而出現損傷。若軟骨損傷長期得不到有效治療,就會嚴重影響到患者的運動功能,并降低其生活質量。對此,再生醫學網表示,隨著該項研究成果的問世,為軟骨損傷治療增添了新的選項。相信在不久的將來,軟骨再生將成為軟骨損傷臨床治療的首選方式。
關鍵字:再生醫學,關節軟骨,軟骨再生
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