美國西北大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)出一種無細(xì)胞生物活性材料，該材料由復(fù)雜的分子組分網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，能夠作為支架模仿體內(nèi)軟骨的自然環(huán)境。在一項新研究中，研究團隊成功利用該材料支持了羊膝關(guān)節(jié)高質(zhì)量軟骨的再生。在將這種生物活性混合支架材料應(yīng)用于動物的受損膝關(guān)節(jié)軟骨后，研究人員在六個月內(nèi)觀察到修復(fù)效果顯著，新生軟骨中包含天然生物聚合物（如膠原蛋白II和蛋白多糖），這些生物聚合物使關(guān)節(jié)具有無痛的機械彈性。

研究團隊建議，通過進一步研究，該新材料未來有望用于預(yù)防全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，治療諸如骨關(guān)節(jié)炎等退行性疾病，以及修復(fù)前交叉韌帶（ACL）撕裂等運動損傷。

“軟骨是我們關(guān)節(jié)中至關(guān)重要的組成部分，”領(lǐng)導(dǎo)這項研究的西北大學(xué)Samuel I. Stupp博士說道?！爱?dāng)軟骨受損或隨時間推移退化時，會對人們的整體健康和活動能力產(chǎn)生重大影響。問題在于，成年人的軟骨沒有自我愈合的能力。我們的新療法可以誘導(dǎo)不自然再生的組織進行修復(fù)。我們認(rèn)為這種治療方法能夠滿足一種嚴(yán)重的臨床需求?！?/p>

Stupp博士是再生納米醫(yī)學(xué)的先驅(qū)，是西北大學(xué)材料科學(xué)與工程、化學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程的校董事教授，創(chuàng)立了西北大學(xué)的Simpson Querrey生物納米技術(shù)研究所及其附屬的再生納米醫(yī)學(xué)中心。該論文的第一作者是Stupp實驗室的前學(xué)生Jacob Lewis博士。

Stupp與Lewis及其同事在PNAS雜志上報告了他們在大型動物模型中的研究。這篇論文的標(biāo)題是“在羊模型中用于軟骨修復(fù)的生物活性超分子和共價聚合物支架”。科學(xué)家們在報告中總結(jié)道：“這些結(jié)果表明，混合仿生支架作為一種利于軟骨修復(fù)的微環(huán)境，在臨床相關(guān)的大動物模型中展現(xiàn)了潛力。”

開發(fā)支持關(guān)節(jié)軟骨生長的支架是一個重要的治療目標(biāo)，因為這種組織在成年人體內(nèi)缺乏自我再生的能力。作者解釋道：“在人體大小的關(guān)節(jié)中再生透明軟骨仍然是一個臨床挑戰(zhàn)，這是一個關(guān)鍵的未滿足需求，將有助于延長健康壽命?！比欢?，他們指出，實驗性支架在大型動物的臨床前模型中經(jīng)常失敗，可能是因為遭遇了高機械力。“結(jié)合了生物活性和足夠強健的物理特性的可注射軟骨修復(fù)支架提供了一種有前途的策略。”

這項新研究繼Stupp實驗室最近發(fā)表的研究之后，團隊在之前的研究中利用“跳舞分子”激活人類軟骨細(xì)胞，促進構(gòu)建組織基質(zhì)的蛋白質(zhì)的生成。新研究評估了Stupp實驗室開發(fā)的一種新的混合生物材料，而不是使用跳舞分子。這種新型生物材料包括兩個成分，一個是生物活性肽——一種與轉(zhuǎn)化生長因子β-1（TGFβ-1）結(jié)合的生物活性肽兩親性超分子聚合物，TGFβ-1是軟骨生長和維持的必需蛋白。第二個成分是改性透明質(zhì)酸（HA），一種存在于軟骨和關(guān)節(jié)潤滑滑液中的天然多糖。

“很多人都熟悉透明質(zhì)酸，因為它是護膚品中的一種流行成分，”Stupp說道?！八蔡烊淮嬖谟谌梭w的許多組織中，包括關(guān)節(jié)和大腦。我們選擇它是因為它類似于軟骨中的天然聚合物?！?/p>

Stupp的團隊整合了生物活性肽和化學(xué)改性透明質(zhì)酸微粒，推動納米纖維自組織成捆，模仿軟骨的自然結(jié)構(gòu)?！拔覀冊诖藞蟾媪艘环N混合生物材料，結(jié)合了一種與軟骨生成細(xì)胞因子轉(zhuǎn)化生長因子β-1（TGFβ-1）特異性結(jié)合的生物活性肽兩親性超分子聚合物和交聯(lián)透明質(zhì)酸微膠粒，這些微膠粒驅(qū)動形成纖維束，這是一種自然存在于肌骨組織中的層級結(jié)構(gòu)，”他們表示。

目標(biāo)是創(chuàng)建一個吸引體內(nèi)細(xì)胞再生軟骨組織的支架。利用納米纖維中的生物活性信號，材料鼓勵細(xì)胞填充支架并進行軟骨修復(fù)?！爸匾氖?，我們報道的材料是完全可注射和可塑形的，與之前報道的其他高韌性軟骨修復(fù)材料不同，”研究人員補充道。

為了評估材料在促進軟骨生長方面的有效性，研究人員在羊的膝關(guān)節(jié)缺損中進行了測試，這種關(guān)節(jié)類似于人類的膝關(guān)節(jié)。此項工作是在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校獸醫(yī)學(xué)院Mark Markel博士的實驗室進行的。

Stupp表示，在羊模型中進行測試是至關(guān)重要的。與人類一樣，羊的軟骨頑固且極難再生。羊的膝關(guān)節(jié)與人類的膝關(guān)節(jié)在承重、大小和機械負(fù)荷方面也具有相似性?！霸谘蚰Ｐ蜕系难芯扛茴A(yù)測這種治療在人類中的效果，”Stupp說道?！霸谄渌^小的動物中，軟骨再生要容易得多?！?/p>

在他們的研究中，研究人員將這種粘稠的糊狀材料注射到軟骨缺損中，材料在注射部位轉(zhuǎn)化為橡膠狀基質(zhì)。隨著支架的降解，不僅新生軟骨填補了缺損，與對照組相比，修復(fù)的組織質(zhì)量也顯著提高。“這些可注射支架顯示出改進的機械彈性，并形成了束狀的超分子纖維，這是天然軟骨中觀察到的結(jié)構(gòu)模式，”研究團隊繼續(xù)道?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷了類似于人類的機械負(fù)荷的羊的關(guān)節(jié)表面，混合支架放置在軟骨缺損中能夠誘導(dǎo)透明軟骨的修復(fù)?！?/p>

未來，Stupp設(shè)想這種新材料可以在開放關(guān)節(jié)手術(shù)或關(guān)節(jié)鏡手術(shù)中應(yīng)用。目前的標(biāo)準(zhǔn)護理方法是微骨折手術(shù)，在手術(shù)中，外科醫(yī)生在骨頭下方制造微小裂縫以誘導(dǎo)新軟骨生長。

“微骨折方法的主要問題是它常常導(dǎo)致纖維軟骨的形成，這種軟骨與我們耳朵中的軟骨相同，而不是我們需要的透明軟骨，”Stupp說道?！巴ㄟ^再生透明軟骨，我們的方法應(yīng)該更耐磨損，從而長期解決活動受限和關(guān)節(jié)疼痛的問題，同時避免使用大型硬件進行關(guān)節(jié)重建的需求?！?/p>

研究團隊還建議，他們的系統(tǒng)也可以用于傳遞TGFβ-1以外的其他生長因子。“這可以通過包括額外的結(jié)合肽或包括模擬其他生長因子的激動肽來實現(xiàn)，以進一步增強軟骨生成的生物活性，”他們寫道。“鑒于我們研究的PA/HA支架是可注射且無細(xì)胞的，但仍然能夠在高機械負(fù)荷下增強軟骨修復(fù)，我們設(shè)想使用超分子和共價聚合物雜交物通過關(guān)節(jié)鏡將生物活性PA基系統(tǒng)傳遞到機械挑戰(zhàn)的關(guān)節(jié)中進行再生?！?/p>

參考文獻(xiàn)：http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2405454121

編輯：王洪

排版：李麗