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【Nature子刊】原始干细胞生成的骨移植物促进顽固骨折愈合!



    虽然大多数骨折都可以用牢固的石膏和大量细致的护理来修复,但更复杂的骨折需要骨移植之类的治疗。德克萨斯农工大学的研究人员利用原始干细胞培育出了优良的骨移植物。他们发现,这些细胞可以帮助骨骼在修复部位再生所需的肥沃支架。


    研究人员说,这些移植物可用于促进快速和精确的骨愈合,使患者最大限度地受益于外科干预。


    "骨科植入物可能会出现一些问题,比如炎症和疼痛。此外,它们可能会松动,需要进行翻修手术,而这种手术通常比原先植入的手术要复杂得多。因此,通过加速骨愈合过程,我们的材料可以潜在地减少这些修复手术的数量。"研究人员在6月份的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上发表了他们的发现。


    在美国,每年大约有60万人经历骨愈合延迟或不完全。对于其中一些病例,医生会采取外科手术,将骨组织移植到修复部位。这些骨移植通常有两种来源:一种是来自病人身体另一部位的自体骨移植,另一种是经过深度加工的人类尸体骨。


    然而,这两种骨移植都有各自的缺点。例如,自体骨移植需要额外的手术来提取骨组织,增加病人的恢复时间,有时还会带来慢性疼痛。另一方面,从尸体骨中提取的移植物排除了两次手术的需要,但这些移植物往往缺乏许多促进骨修复的生物分子。


    "从尸体骨移植的一些物理性质骨头,甚至有点生物本质,但就功能而言他们很贫乏。"德州农工大学健康科学中心的副教授、这项研究的共同作者Carl Gregory博士说道。"我们想要做的是设计一个骨移植,我们可以实验性地加速恢复,可以说,使它更具有生物活性。"


    以前的研究已经表明,干细胞,特别是一种称为间充质干细胞的细胞,可以用于产生具有生物活性的骨移植。特别是,这些细胞会转化为骨细胞,产生骨骼生长和存活所需的支架或细胞外基质。


    然而,这些干细胞通常是从成人骨的骨髓中提取的,因此,它们的年龄较大。它们的年龄影响了细胞分裂和产生更多珍贵的细胞外基质的能力。


    为了解决这个问题,研究人员转向了间充质干细胞的细胞祖先--多能干细胞。与成体间充质细胞寿命相对较短不同,这些原始细胞可以持续增殖,从而创造出制造骨移植细胞外基质所需的间充质干细胞的无限供应。他们补充说,可以通过对捐赠的成年细胞进行基因重组来制造多能细胞。


    当研究人员通过实验诱导多能干细胞产生全新的间充质干细胞时,他们能够产生一种细胞外基质,这种基质的生物活性远远高于从成骨中获得的间充质细胞。


    Gregory说:"我们的材料不仅富含制造骨组织粗大部分所需的生物分子,还富含驱动血管形成的生长因子。"


    为了测试支架材料作为骨移植的效果,他们小心地提取和纯化了丰富的细胞外基质,然后将其植入骨缺损部位。在检查了几周的骨修复情况后,他们发现他们的多能干细胞衍生基质比最好的FDA批准的移植物刺激剂要有效5到6倍。

图片来源:Nature Communications


    Gregory说:"使用移植金标准的骨修复实验,就像那些使用了名为骨形态发生蛋白-2的强力骨生长刺激剂,需要大约8周的时间,但我们在四周内就能完全愈合。因此,在这些条件下,我们的材料的功效远远超过了骨形态发生蛋白-2,这表明它是当前骨修复技术的巨大改进。"


    研究人员还说,从临床的角度来看,移植物可以与大量的工程植入物结合,比如3d打印的植入物或金属螺钉,这样这些部分就可以更好地与周围的骨头结合。他们还指出,骨移植物也将更容易生产,因此从生产的角度来说是有利的。


    Gregory说:"我们的材料非常有前途,因为多能干细胞可以理想地从一个供体中产生许多批次的细胞外基质,这将大大简化大规模制造这些骨移植物。" 


参考资料:

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


来源:生物谷


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