美国西北大学的科学家们开发出一种无细胞生物活性材料，该材料由复杂的分子组分网络构成，能够作为支架模仿体内软骨的自然环境。在一项新研究中，研究团队成功利用该材料支持了羊膝关节高质量软骨的再生。在将这种生物活性混合支架材料应用于动物的受损膝关节软骨后，研究人员在六个月内观察到修复效果显著，新生软骨中包含天然生物聚合物（如胶原蛋白II和蛋白多糖），这些生物聚合物使关节具有无痛的机械弹性。
研究团队建议，通过进一步研究，该新材料未来有望用于预防全膝关节置换手术，治疗诸如骨关节炎等退行性疾病，以及修复前交叉韧带（ACL）撕裂等运动损伤。
“软骨是我们关节中至关重要的组成部分，”领导这项研究的西北大学Samuel I. Stupp博士说道。“当软骨受损或随时间推移退化时，会对人们的整体健康和活动能力产生重大影响。问题在于，成年人的软骨没有自我愈合的能力。我们的新疗法可以诱导不自然再生的组织进行修复。我们认为这种治疗方法能够满足一种严重的临床需求。”
Stupp博士是再生纳米医学的先驱，是西北大学材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程的校董事教授，创立了西北大学的Simpson Querrey生物纳米技术研究所及其附属的再生纳米医学中心。该论文的第一作者是Stupp实验室的前学生Jacob Lewis博士。
Stupp与Lewis及其同事在PNAS杂志上报告了他们在大型动物模型中的研究。这篇论文的标题是“在羊模型中用于软骨修复的生物活性超分子和共价聚合物支架”。科学家们在报告中总结道：“这些结果表明，混合仿生支架作为一种利于软骨修复的微环境，在临床相关的大动物模型中展现了潜力。”
开发支持关节软骨生长的支架是一个重要的治疗目标，因为这种组织在成年人体内缺乏自我再生的能力。作者解释道：“在人体大小的关节中再生透明软骨仍然是一个临床挑战，这是一个关键的未满足需求，将有助于延长健康寿命。”然而，他们指出，实验性支架在大型动物的临床前模型中经常失败，可能是因为遭遇了高机械力。“结合了生物活性和足够强健的物理特性的可注射软骨修复支架提供了一种有前途的策略。”
这项新研究继Stupp实验室最近发表的研究之后，团队在之前的研究中利用“跳舞分子”激活人类软骨细胞，促进构建组织基质的蛋白质的生成。新研究评估了Stupp实验室开发的一种新的混合生物材料，而不是使用跳舞分子。这种新型生物材料包括两个成分，一个是生物活性肽——一种与转化生长因子β-1（TGFβ-1）结合的生物活性肽两亲性超分子聚合物，TGFβ-1是软骨生长和维持的必需蛋白。第二个成分是改性透明质酸（HA），一种存在于软骨和关节润滑滑液中的天然多糖。
“很多人都熟悉透明质酸，因为它是护肤品中的一种流行成分，”Stupp说道。“它也天然存在于人体的许多组织中，包括关节和大脑。我们选择它是因为它类似于软骨中的天然聚合物。”
Stupp的团队整合了生物活性肽和化学改性透明质酸微粒，推动纳米纤维自组织成捆，模仿软骨的自然结构。“我们在此报告了一种混合生物材料，结合了一种与软骨生成细胞因子转化生长因子β-1（TGFβ-1）特异性结合的生物活性肽两亲性超分子聚合物和交联透明质酸微胶粒，这些微胶粒驱动形成纤维束，这是一种自然存在于肌骨组织中的层级结构，”他们表示。
目标是创建一个吸引体内细胞再生软骨组织的支架。利用纳米纤维中的生物活性信号，材料鼓励细胞填充支架并进行软骨修复。“重要的是，我们报道的材料是完全可注射和可塑形的，与之前报道的其他高韧性软骨修复材料不同，”研究人员补充道。
为了评估材料在促进软骨生长方面的有效性，研究人员在羊的膝关节缺损中进行了测试，这种关节类似于人类的膝关节。此项工作是在威斯康星大学麦迪逊分校兽医学院Mark Markel博士的实验室进行的。
Stupp表示，在羊模型中进行测试是至关重要的。与人类一样，羊的软骨顽固且极难再生。羊的膝关节与人类的膝关节在承重、大小和机械负荷方面也具有相似性。“在羊模型上的研究更能预测这种治疗在人类中的效果，”Stupp说道。“在其他较小的动物中，软骨再生要容易得多。”
在他们的研究中，研究人员将这种粘稠的糊状材料注射到软骨缺损中，材料在注射部位转化为橡胶状基质。随着支架的降解，不仅新生软骨填补了缺损，与对照组相比，修复的组织质量也显著提高。“这些可注射支架显示出改进的机械弹性，并形成了束状的超分子纤维，这是天然软骨中观察到的结构模式，”研究团队继续道。“我们发现，在经历了类似于人类的机械负荷的羊的关节表面，混合支架放置在软骨缺损中能够诱导透明软骨的修复。”
未来，Stupp设想这种新材料可以在开放关节手术或关节镜手术中应用。目前的标准护理方法是微骨折手术，在手术中，外科医生在骨头下方制造微小裂缝以诱导新软骨生长。
“微骨折方法的主要问题是它常常导致纤维软骨的形成，这种软骨与我们耳朵中的软骨相同，而不是我们需要的透明软骨，”Stupp说道。“通过再生透明软骨，我们的方法应该更耐磨损，从而长期解决活动受限和关节疼痛的问题，同时避免使用大型硬件进行关节重建的需求。”
研究团队还建议，他们的系统也可以用于传递TGFβ-1以外的其他生长因子。“这可以通过包括额外的结合肽或包括模拟其他生长因子的激动肽来实现，以进一步增强软骨生成的生物活性，”他们写道。“鉴于我们研究的PA/HA支架是可注射且无细胞的，但仍然能够在高机械负荷下增强软骨修复，我们设想使用超分子和共价聚合物杂交物通过关节镜将生物活性PA基系统传递到机械挑战的关节中进行再生。”
参考文献：http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2405454121
编辑：王洪
排版：李丽
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