利用間充質(zhì)干細(xì)胞體外高效制造新生軟骨
來(lái)源: 生物谷
美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)(Case Western Reserve University)研究人員發(fā)現(xiàn)，自組裝的間充質(zhì)干細(xì)胞層與填充滿生長(zhǎng)因子的微小 珠子浸透在一起，要比以前的組織工程方法形成更加厚和更加硬的軟骨。該研究成果已經(jīng)發(fā)表在《控制釋放期刊》 (Journal of Controlled Release)雜志上。該研究是朝開(kāi)發(fā)出可移植的軟骨替換又走近了一步，并給治療由于骨關(guān)節(jié)炎 (osteoarthritis)、運(yùn)動(dòng)損傷和事故而遭受破壞的膝、肩、耳和鼻帶來(lái)希望。
生物醫(yī)學(xué)工程和矯形外科系副教授Eben Alsberg，也是這篇論文的主要作者，他說(shuō)，“我們認(rèn)為利用病人自己的干細(xì)胞促進(jìn)軟骨形成的能力和使用這種無(wú)需移植前長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)的方法的潛力使得這種技術(shù)有吸引力”。
Alsberg和他的研究小組將轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β-1放入生物可降解的明膠微球(gelatin microsphere,亦可翻譯為明膠微珠)中，而且這些明膠微球分布在整個(gè)干細(xì)胞層上，而不是簡(jiǎn)單地將干細(xì)胞層浸沒(méi)在生長(zhǎng)因子中。Alsberg說(shuō)，這種工藝表現(xiàn)出很多優(yōu)勢(shì)。
這些微球提供類(lèi)似于支架的結(jié)構(gòu)，在這些微小珠子(即微球)降解后在需要維持的細(xì)胞之間產(chǎn)生空間間隔。這些間隔導(dǎo)致更好的水分保持---確保軟骨彈性的關(guān)鍵因素。
這些微球提供類(lèi)似于支架的結(jié)構(gòu)，在這些微小珠子(即微球)降解后在需要維持的細(xì)胞之間產(chǎn)生空間間隔。這些間隔導(dǎo)致更好的水分保持---確保軟骨彈性的關(guān)鍵因素。
明膠珠子暴露在這些細(xì)胞釋放的化學(xué)物中發(fā)生降解，而且是以一種可控的速率發(fā)生降解。當(dāng)這些珠子降解時(shí)，生長(zhǎng)因子釋放出來(lái)并與干細(xì)胞層內(nèi)部和外部的細(xì)胞接觸，從而使得干細(xì)胞更加均勻地分化為新生軟骨(neocartilage)。
微球降解的速率和由此造成的細(xì)胞分化速率能夠通過(guò)微球交聯(lián)的程度來(lái)進(jìn)行修改。在微球內(nèi)部，不同數(shù)目的生長(zhǎng)因子交聯(lián)到聚合物上。這些交聯(lián)越多，就需要細(xì)胞分泌的酶花費(fèi)更長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)來(lái)并降解這些物質(zhì)。
研究人員制造5種類(lèi)型的干細(xì)胞層：分布有含生長(zhǎng)因子的稀疏交聯(lián)的微球、分布有含生長(zhǎng)因子的高度交聯(lián)的微球、分布不含生長(zhǎng)因子的稀疏交聯(lián)的微球、分布不含生長(zhǎng)因子的高度交聯(lián)的微球和沒(méi)有微球的對(duì)照層。最后三種干細(xì)胞層在含有生長(zhǎng)因子的浴缸中培養(yǎng)。
在有蓋培養(yǎng)皿(petri dish)培養(yǎng)三周之后，所有含微球的干細(xì)胞層要比對(duì)照層變得更加厚和更加富有彈性，其中分布有稀疏交聯(lián)的微球的干細(xì)胞層長(zhǎng)出最厚并且最有彈性的新生軟骨。
這些結(jié)果表明稀疏交聯(lián)的微球，被細(xì)胞分泌的酶更快地降解，為整個(gè)干細(xì)胞層持續(xù)性地供應(yīng)生長(zhǎng)因子，從而改善干細(xì)胞分化為軟骨細(xì)胞(chondrocyte)的均勻性、程度和速率。
培養(yǎng)出的這種組織非常類(lèi)似于關(guān)節(jié)軟骨(articular cartilage)---在膝蓋中發(fā)現(xiàn)的堅(jiān)硬軟骨：圓狀的細(xì)胞被大量含有 粘多糖(glycosaminoglycan,也譯為葡萄糖胺聚糖)的基質(zhì)所包圍。這種多糖將水離子封鎖在組織中，從而使得組織具有抗壓性能。測(cè)試也顯示這種干細(xì)胞層含有最高量的II型膠原蛋白(collagen)---關(guān)節(jié)軟骨中主要的蛋白組分。
盡管這種干細(xì)胞層要比對(duì)照層顯著性地堅(jiān)硬不少，但是人們還不知曉自然軟骨形成機(jī)制。Alsberg研究小組如今正在研究各種方法來(lái)優(yōu)化這種工藝以便制造出能夠抵抗日常生活磨損的足夠堅(jiān)硬的替代性軟骨。
這種工藝的一個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)在于它可能避免在實(shí)驗(yàn)室中長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)軟骨時(shí)所遇到的困難和高昂開(kāi)銷(xiāo)成本，相反還能允許一塊軟骨片更快地移植到病人身上。
因?yàn)楹⑶虻母杉?xì)胞層足夠堅(jiān)硬在培養(yǎng)早期便可進(jìn)行處理，所以研究人員相信干細(xì)胞層只需一周或兩周就可能用于臨床治療。身體內(nèi)機(jī)械環(huán)境可能會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)軟骨形成，增加這種組織的強(qiáng)度和彈性，從而使得該組織發(fā)育成熟。
