美國西北大學的科學家們開發(fā)出一種無細胞生物活性材料，該材料由復雜的分子組分網(wǎng)絡構(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)導這項研究的西北大學Samuel I. Stupp博士說道。“當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不自然再生的組織進行修復。我們認為這種治療方法能夠滿足一種嚴重的臨床需求?！?/p>

Stupp博士是再生納米醫(yī)學的先驅(qū)，是西北大學材料科學與工程、化學、醫(yī)學和生物醫(yī)學工程的校董事教授，創(chuàng)立了西北大學的Simpson Querrey生物納米技術(shù)研究所及其附屬的再生納米醫(yī)學中心。該論文的第一作者是Stupp實驗室的前學生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。這篇論文的標題是“在羊模型中用于軟骨修復的生物活性超分子和共價聚合物支架”。科學家們在報告中總結(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，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麄冎赋?，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?！敖Y(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。”

Stupp的團隊整合了生物活性肽和化學改性透明質(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。

目標是創(chuàng)建一個吸引體內(nèi)細胞再生軟骨組織的支架。利用納米纖維中的生物活性信號，材料鼓勵細胞填充支架并進行軟骨修復?！爸匾氖牵覀儓蟮赖牟牧鲜峭耆勺⑸浜涂伤苄蔚?，與之前報道的其他高韌性軟骨修復材料不同，”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麥迪遜分校獸醫(yī)學院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、大小和機械負荷方面也具有相似性?！霸谘蚰Ｐ蜕系难芯扛茴A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。”

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，修復的組織質(zhì)量也顯著提高?！斑@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透明軟骨的修復。”

未來，Stupp設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)中應用。目前的標準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新軟骨生長。

“微骨折方法的主要問題是它常常導致纖維軟骨的形成，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胞的，但仍然能夠在高機械負荷下增強軟骨修復，我們設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。”

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

編輯：王洪

排版：李麗