原始干細(xì)胞生成的骨移植物促進(jìn)頑固骨折愈合

雖然大多數(shù)骨折都可以用牢固的石膏和大量細(xì)致的護(hù)理來(lái)修復(fù)，但更復(fù)雜的骨折需要骨移植之類的治療。德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究人員利用原始干細(xì)胞培育出了優(yōu)良的骨移植物。他們發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞可以幫助骨骼在修復(fù)部位再生所需的肥沃支架。

研究人員說(shuō)，這些移植物可用于促進(jìn)快速和精確的骨愈合，使患者最大限度地受益于外科干預(yù)。

"骨科植入物可能會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，比如炎癥和疼痛。此外，它們可能會(huì)松動(dòng)，需要進(jìn)行翻修手術(shù)，而這種手術(shù)通常比原先植入的手術(shù)要復(fù)雜得多。因此，通過(guò)加速骨愈合過(guò)程，我們的材料可以潛在地減少這些修復(fù)手術(shù)的數(shù)量。"研究人員在6月份的《自然通訊》（Nature Communications）雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

在美國(guó)，每年大約有60萬(wàn)人經(jīng)歷骨愈合延遲或不完全。對(duì)于其中一些病例，醫(yī)生會(huì)采取外科手術(shù)，將骨組織移植到修復(fù)部位。這些骨移植通常有兩種來(lái)源：一種是來(lái)自病人身體另一部位的自體骨移植，另一種是經(jīng)過(guò)深度加工的人類尸體骨。

然而，這兩種骨移植都有各自的缺點(diǎn)。例如，自體骨移植需要額外的手術(shù)來(lái)提取骨組織，增加病人的恢復(fù)時(shí)間，有時(shí)還會(huì)帶來(lái)慢性疼痛。另一方面，從尸體骨中提取的移植物排除了兩次手術(shù)的需要，但這些移植物往往缺乏許多促進(jìn)骨修復(fù)的生物分子。

"從尸體骨移植的一些物理性質(zhì)骨頭，甚至有點(diǎn)生物本質(zhì)，但就功能而言他們很貧乏。"德州農(nóng)工大學(xué)健康科學(xué)中心的副教授、這項(xiàng)研究的共同作者Carl Gregory博士說(shuō)道。"我們想要做的是設(shè)計(jì)一個(gè)骨移植，我們可以實(shí)驗(yàn)性地加速恢復(fù)，可以說(shuō)，使它更具有生物活性。"

以前的研究已經(jīng)表明，干細(xì)胞，特別是一種稱為間充質(zhì)干細(xì)胞的細(xì)胞，可以用于產(chǎn)生具有生物活性的骨移植。特別是，這些細(xì)胞會(huì)轉(zhuǎn)化為骨細(xì)胞，產(chǎn)生骨骼生長(zhǎng)和存活所需的支架或細(xì)胞外基質(zhì)。

然而，這些干細(xì)胞通常是從成人骨的骨髓中提取的，因此，它們的年齡較大。它們的年齡影響了細(xì)胞分裂和產(chǎn)生更多珍貴的細(xì)胞外基質(zhì)的能力。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員轉(zhuǎn)向了間充質(zhì)干細(xì)胞的細(xì)胞祖先--多能干細(xì)胞。與成體間充質(zhì)細(xì)胞壽命相對(duì)較短不同，這些原始細(xì)胞可以持續(xù)增殖，從而創(chuàng)造出制造骨移植細(xì)胞外基質(zhì)所需的間充質(zhì)干細(xì)胞的無(wú)限供應(yīng)。他們補(bǔ)充說(shuō)，可以通過(guò)對(duì)捐贈(zèng)的成年細(xì)胞進(jìn)行基因重組來(lái)制造多能細(xì)胞。

當(dāng)研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞產(chǎn)生全新的間充質(zhì)干細(xì)胞時(shí)，他們能夠產(chǎn)生一種細(xì)胞外基質(zhì)，這種基質(zhì)的生物活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于從成骨中獲得的間充質(zhì)細(xì)胞。

Gregory說(shuō)："我們的材料不僅富含制造骨組織粗大部分所需的生物分子，還富含驅(qū)動(dòng)血管形成的生長(zhǎng)因子。"

為了測(cè)試支架材料作為骨移植的效果，他們小心地提取和純化了豐富的細(xì)胞外基質(zhì)，然后將其植入骨缺損部位。在檢查了幾周的骨修復(fù)情況后，他們發(fā)現(xiàn)他們的多能干細(xì)胞衍生基質(zhì)比最好的FDA批準(zhǔn)的移植物刺激劑要有效5到6倍。

Gregory說(shuō)："使用移植金標(biāo)準(zhǔn)的骨修復(fù)實(shí)驗(yàn)，就像那些使用了名為骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2的強(qiáng)力骨生長(zhǎng)刺激劑，需要大約8周的時(shí)間，但我們?cè)谒闹軆?nèi)就能完全愈合。因此，在這些條件下，我們的材料的功效遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2，這表明它是當(dāng)前骨修復(fù)技術(shù)的巨大改進(jìn)。"

研究人員還說(shuō)，從臨床的角度來(lái)看，移植物可以與大量的工程植入物結(jié)合，比如3d打印的植入物或金屬螺釘，這樣這些部分就可以更好地與周圍的骨頭結(jié)合。他們還指出，骨移植物也將更容易生產(chǎn)，因此從生產(chǎn)的角度來(lái)說(shuō)是有利的。

Gregory說(shuō)："我們的材料非常有前途，因?yàn)槎嗄芨杉?xì)胞可以理想地從一個(gè)供體中產(chǎn)生許多批次的細(xì)胞外基質(zhì)，這將大大簡(jiǎn)化大規(guī)模制造這些骨移植物。" 

參考資料：

Primitive stem cells point to new bone grafts for stubborn-to-heal fractures

Eoin P.McNeill et al，Characterization of a pluripotent stem cell-derived matrix with powerful osteoregenerative capabilities， Nature Communications (2020). DOI： 10.1038/s41467-020-16646-2