【Nature子刊】再生医学新突破!斯坦福大学用骨骼干细胞成功再生关节软骨

2020
08/20

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Cathy / 转化医学网
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斯坦福大学医学院的研究人员发现了一种在小鼠和人体组织中再生关节软骨垫的方法。

导言:在关节中相连骨的表面,覆有一层关节软骨(articular cartilage),这种光滑且减震组织层的丧失是造成关节疼痛和关节炎的原因。近日,斯坦福大学的研究人员利用微骨折技术激活了骨骼干细胞,实现了关节软骨的再生。

在美国,有5500多万人遭受关节软骨损伤的折磨,近四分之一的美国成年人患有关节炎,更多的人受到关节疼痛和炎症的困扰。很长一段时间以来,人们一直认为成年软骨在受伤后不会再生。而近日,斯坦福大学医学院的研究人员发现了一种在小鼠和人体组织中再生关节软骨垫的方法。

该研究由斯坦福大学医学院干细胞生物学与再生医学研究所的Matthew Murphy博士领导,并于8月17日发表在《自然医学》杂志上,题为“Articular cartilage regeneration by activated skeletal stem cells”

在该研究中,科学家发现了如何使关节软骨再生的方法:首先对关节组织造成轻微损伤,然后在损伤愈合时,利用化学信号来控制骨骼干细胞的生长。

外科助理教授Charles K.F.Chan博士说:“软骨在成年后几乎没有再生潜力,所以一旦它受伤或消失,我们能为患者做的就非常有限。能找到一种方法来帮助身体再生这一重要组织是非常令人欣慰的。”

这项研究建立在斯坦福大学先前的研究基础上,该研究成功分离了骨骼干细胞,这种自我更新的细胞同时也负责骨骼、软骨和一种帮助骨髓中血细胞发育的特殊类型的细胞产生。

关节软骨是一种复杂而特殊的组织,可在关节的骨头之间提供光滑而有弹性的缓冲。当软骨因外伤、疾病或仅仅是随着年龄的增长而变薄时,骨骼会直接相互摩擦,引起疼痛和炎症,最终导致关节炎。

软骨损伤可以通过一种称为微骨折的技术来治疗,该技术是在关节表面钻一些小孔。微骨折技术促使人体在关节中产生新组织,但新组织与软骨不太相似。

该研究的共同资深作者Chan说:“微骨折产生的纤维软骨,实际上更像是疤痕组织,而不是天然软骨。它能覆盖骨骼,不过它不具有天然软骨的弹性,而且它的降解速度相对较快,但总比什么都没有好。”

最新的研究部分是通过外科医生Matthew Murphy博士的工作产生的,他是斯坦福大学的客座研究员,现在在曼彻斯特大学工作。Murphy说:“我从未听说有人真正了解过微裂缝的作用。现在我意识到了解这一过程的唯一方法是观察微骨折后干细胞的功能。” Murphy也是该论文的主要作者。

Chan说,很长一段时间以来,人们一直认为成年软骨在损伤后不会再生,因为组织中没有很多可以激活的骨骼干细胞。研究小组利用小鼠模型,证明微骨折确实激活了骨骼干细胞。但是,这些被激活的骨骼干细胞会按照它们自己的节律在关节中再生纤维软骨。

但是,如果微骨折后的愈合过程可以转向软骨的发展而不是纤维软骨呢?研究人员知道,随着骨骼的发育,细胞在变成骨骼之前必须首先经历软骨阶段。他们的想法是,他们可能会鼓励关节中的骨骼干细胞沿着走向骨骼的路径开始,但在软骨阶段停止该过程。

研究人员使用一种称为骨形态发生蛋白2(BMP2)的强大分子来启动微骨折后的骨形成,随后通过阻断另一种对骨形成重要的信号分子,称为血管内皮生长因子(VEGF)的分子中止了该过程。

Chan说:“我们最终得到的是软骨,它由与天然软骨相同的细胞组成,具有相似的力学性能,这与我们通常得到的纤维软骨不同,它还恢复了骨关节炎小鼠的活动能力,并大大减轻了它们的疼痛。”

为了证明这种方法也可能在人体中起作用,研究人员将人体组织转移到小鼠体内,使其移植后不会排斥组织,并能够证明人体骨骼干细胞可以引导骨骼发育,并止于软骨阶段。

下一阶段的研究是在开始人类临床试验之前,对大型动物进行类似的实验。Murphy指出,由于小鼠关节非常小,很难处理,因此当它们移入相对较大的关节时,可能会对系统进行一些改进。

第一个人体临床试验可能是针对手指和脚趾患有关节炎的人。Murphy说:“我们可能从小关节开始,如果行得通,我们将向膝盖等更大的关节发展。目前,手指关节炎最常见的手术之一就是切除拇指根部的骨头。在这种情况下,我们可以尝试这样做以保存关节。改进的潜力很大,而不利的一面是我们会回到以前的状态。”

该研究的共同资深作者Longaker指出,他们发现的优点之一是潜在疗法的主要成分被FDA批准为安全有效。他说:“BMP2已被批准用于帮助骨骼愈合,而VEGF抑制剂已被用作抗癌疗法。这将有助于加快我们开发的疗法的批准。”

关节置换手术彻底改变了医生治疗关节炎的方式,这一现象非常普遍:到80岁时,每10个人中就有1人会进行髋关节置换,20人中就有1人会进行膝关节置换。但是,这种关节置换术具有极强的侵入性,使用寿命有限,只有在关节炎发作和患者忍受持久疼痛后才进行。研究人员表示,他们设想有一天,人们可以通过在关节软骨严重退化之前使关节中的软骨恢复活力,从而避免患上关节炎。

参考:

【1】https://medicalxpress.com/news/2020-08-method-regrow-cartilage-joints.html

【2】https://www.nature.com/articles/s41591-020-1013-2


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关键词:
干细胞,组织,再生,软骨,关节

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