西北大学开发的一种新材料显示出再生高质量软骨的潜力，为更好地治疗关节损伤和骨关节炎等疾病带来了希望。
西北大学的研究人员已经开发出一种生物活性材料，能够在膝关节中再生高质量的软骨。
这种新材料，紧密地模仿了自然环境在动物模型中显示出有希望的结果，潜在地减少了膝关节置换的需要减少手术和改善治疗方法比如骨关节炎和运动损伤。
创新性软骨再生
美国西北大学的科学家开发出一种新的生物活性材料，成功地在大型动物模型的膝关节中再生了高质量的软骨。
虽然它看起来像一种橡胶状的粘稠物，但这种材料实际上是由分子成分组成的复杂网络，这些分子成分共同作用，模仿软骨在体内的自然环境。
在这项新研究中，研究人员将这种材料应用于动物膝关节受损的软骨。在短短六个月内，研究人员观察到增强修复的证据，包括含有天然生物聚合物(胶原蛋白II和蛋白聚糖)的新软骨的生长，这使得关节的机械弹性无痛。
新生物材料的显微图像。纳米纤维是粉红色的;透明质酸用紫色表示。来源:Samuel I. Stupp/西北大学
对关节健康的潜在影响
研究人员表示，随着更多的工作，这种新材料有可能在将来用于预防全膝关节置换手术，治疗骨关节炎等退行性疾病，以及修复与前交叉韧带撕裂等运动相关的损伤。
这项研究将于8月5日当周发表在《美国国家科学院院刊》上。
“软骨是我们关节的重要组成部分，”西北大学的塞缪尔·i·斯塔普(Samuel I. Stupp)说，他是这项研究的负责人。“随着时间的推移，软骨受损或分解，会对人们的整体健康和行动能力产生重大影响。问题是，在成年人身上，软骨没有固有的愈合能力。我们的新疗法可以诱导不能自然再生的组织进行修复。我们认为我们的治疗方法可以帮助解决一个严重的、未被满足的临床需求。”
对照软骨(用红花红染色)在图像左上方显示有缺陷。来源:Samuel I. Stupp/西北大学
处理后的软骨(用红花红染色)显示缺损被填满。来源:Samuel I. Stupp/西北大学
作为再生纳米医学的先驱，Stupp是西北大学材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程的董事会教授，在那里他是辛普森奎雷生物纳米技术研究所及其附属中心再生纳米医学中心的创始主任。斯塔普在麦考密克工程学院、温伯格艺术与科学学院和范伯格医学院任职。雅各布·刘易斯(Jacob Lewis)是斯塔普实验室的前博士生，是这篇论文的第一作者。
生物活性混合涂料整体解释
在这项新研究之前，斯塔普实验室最近发表了一项研究，该研究小组使用“跳舞分子”来激活人体软骨细胞，以促进构建组织基质的蛋白质的产生。这项新研究没有使用会跳舞的分子，而是评估了斯塔普实验室开发的一种混合生物材料。这种新型生物材料包含两种成分:一种与转化生长因子β -1 (TGFb-1)结合的生物活性肽(TGFb-1是软骨生长和维持的必需蛋白质)和改性透明质酸(一种存在于软骨和关节润滑滑液中的天然多糖)。
斯图普说:“很多人都熟悉透明质酸，因为它是护肤品中很受欢迎的成分。”“它也自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的团队将生物活性肽和化学修饰的透明质酸颗粒结合在一起，驱动纳米级纤维的自组织成束，模仿软骨的自然结构。他们的目标是为人体自身的细胞创造一个有吸引力的支架来再生软骨组织。利用纳米级纤维中的生物活性信号，这种材料可以促进软骨细胞的修复，从而填充支架。
临床试验和未来应用
为了评估这种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软骨有缺陷的羊身上进行了测试，后者是后肢的一个复杂关节，类似于人类的膝盖。这项工作是在威斯康星大学麦迪逊分校兽医学院马克·马克尔的实验室进行的。
根据斯塔普的说法，在绵羊模型中进行测试至关重要。就像人类一样，羊的软骨很顽固，很难再生。羊的膝关节和人的膝关节在承重、大小和机械负荷方面也有相似之处。
“对绵羊模型的研究更能预测这种治疗在人类身上的效果，”斯图普说。“在其他较小的动物中，软骨再生更容易发生。”
在这项研究中，研究人员将这种粘稠的糊状材料注射到软骨缺陷中，在那里它变成了橡胶基质。随着支架的降解，不仅新的软骨生长来填补缺陷，而且修复后的组织质量也始终高于对照组。
持久的解决方案
在未来，Stupp设想这种新材料可以应用于关节开放或关节镜手术。目前的护理标准是微骨折手术，在此过程中，外科医生在底层骨骼上制造微小的骨折，以诱导新的软骨生长。
斯图普说:“微骨折方法的主要问题是，它经常导致纤维软骨的形成——和我们耳朵里的软骨一样——而不是透明软骨，而透明软骨是我们拥有功能性关节所需要的。”“通过再生透明软骨，我们的方法应该更能抵抗磨损，解决长期活动能力差和关节疼痛的问题，同时也避免了使用大型硬件重建关节的需要。”
参考文献:“用于羊软骨修复的生物活性超分子共价聚合物支架”，2024年8月5日，《美国国家科学院院刊》。DOI: 10.1073 / pnas.2405454121
这项研究得到了迈克和玛丽·苏·香农家庭基金的支持，该基金致力于肌肉骨骼再生的生物启发和生物活性材料系统。
