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组合筛查方法为改善关节软骨质量开辟了道路

软骨是一种橡胶状的弹性组织,具有广泛的特性,可润滑关节,使关节保持健康和运动,并形成我们的许多内部结构,例如脊椎中的椎间盘,肋骨之间的柔性连接以及语音盒以及鼻子和耳朵等外部组织。

具体而言,在关节中,随着时间的流逝,软骨的磨损最终会导致疼痛的骨对骨接触,以及使骨关节炎(最常见的关节炎形式)困扰的骨损伤和炎症反应。仅在美国,就有3,250万成年人受到骨关节炎的影响,因此,至今还没有策略能够持久修复或替换退化的关节(关节)软骨。

为了克服这个问题,研究人员正在使用组织工程策略从人体外的干细胞中产生软骨。然而,根据芝加哥伊利诺伊大学的埃本·阿尔斯伯格(Eben Alsberg)博士的说法,“使用组织工程策略防止纤维软骨和肥大软骨的形成可能具有挑战性。” 植入关节后,工程软骨会变得不稳定和功能失调,迄今为止,可以确定更复杂的条件以生产离体高质量软骨及其在体内维持的方法受到限制。

现在,由Terasaki研究所所长兼首席执行官Ali Khademhosseini博士领导的协作研究小组开发了一种基于生物材料的多组分筛选方法,该方法可以识别物质成分以及使人类干细胞产生机械和分子刺激作用分化成能够产生高质量关节软骨的细胞。该研究发表在《科学进展》上。

Khademhosseini说:“我们采用了这种多组分体外方法,通过对材料,生物力学和分子参数的许多组合进行高通量筛选来对软骨工程进行整体研究,而这种复杂性以前是没有的。” “这使我们能够定义材料特性和组成,以及特定的机械,生化和药理作用,以帮助指导人类间充质干细胞(hMSCs)向体外分化为产生软骨的软骨细胞,并在转移时更好地保持其功能。进入老鼠。”

不同于hMSC的软骨细胞通过将胶原蛋白和其他生物分子分泌到其细胞外环境中而形成水合的弹性基质,从而形成软骨。但是,由于分化的软骨仅保留相对较少数量的正常运作的软骨细胞,并且缺乏支持性血管,因此它无法有效地自我修复和再生。

在这项研究中,研究小组从3-D打印组件组装了压缩生物反应器,并使用288种基于水凝胶的生物材料进行了阵列筛选,以筛选天然发育的软骨微环境中呈现的多个参数。这些水凝胶由两种不同的生物材料组成,分别是氧化的甲基丙烯酸藻酸盐(OMA)和聚乙二醇(PEG)。两种水凝胶组分可以彼此交联以产生可生物降解和生物相容的紧密互连的弹性网络。在生物材料中,研究人员嵌入了hMSC以及模仿软骨发育的正常细胞外环境的细胞结合配体,以及促进软骨细胞分化的生长因子。具有封装的hMSC的水凝胶生物材料可以在固定板和活动板之间进行机械操作,

基于生物材料的高通量筛选方法可以同时测试物理和生化因素的组合,以从干细胞协同形成功能性关节软骨的能力,从而使研究小组能够识别出特定的诱导软骨的微环境。图片来源:Khademhosseini和Alsberg实验室

为了能够用软骨特异性细胞培养基支持hMSC,并在它们分化时将其暴露于其他生化线索,将设备分成多个小室,每个小室都与微流体支持系统相连。由于所有相关的生物材料,机械和化学参数可以在阵列的生物材料之间单独变化,因此研究人员可以同时研究多种线索组合。

“我们的方法精确定位了生物材料组合物,该组合物提供了水凝胶物理特性的最佳点,恰到好处的适量细胞外基质和关键生长因子以及机械刺激,而hMSC在这种复杂性中需要在工程系统中发展成功能强大的关节软骨细胞。”共同第一作者,Khademhosseini研究组的博士后研究员Junmin Lee博士说。

Alsberg补充说,该团队的设备驱动生物材料战略“确定了细胞微环境中的线索,这些线索可以优先将工程组织构造驱动到首选的透明软骨表型。” 在生物材料中成熟的软骨细胞分泌大量组成天然关节软骨的细胞外基质分子。

Lee和另一位共同第一作者,与Alsberg合作的研究教授Oju Jeon博士以及其他团队成员,还研究了软骨细胞通常用来从细胞外环境转导机械信号以控制其基因表达的分子途径。“我们发现,次佳的生物材料特性提高了一种叫做YAP的机械转导蛋白的活性,并且其下游效应导致软骨细胞采取功能较弱的状态,与患者肥大性软骨细胞的状态非常相似,” Jeon说。“相反,用一种特定药物抑制YAP有利于我们系统中功能性关节软骨细胞的形成。”

该小组还在寻找有助于其系统中形成健康关节软骨的药物时,还发现了YAP抑制剂以及WNT抑制剂(一种参与机械转导的另一种蛋白质)。

为了研究他们的整体方法是否能够使软骨细胞在体内更有效地生成,他们扩大了一项成功的条件,该条件是由他们筛选程序从直径为1毫米的水凝胶到直径为8毫米的水凝胶筛选出来的。“当我们在体外软骨细胞分化21天期间积极抑制YAP或机械信号传感器WNT,将工程组织植入小鼠皮肤下,再经过21天后再次分析植入物时,我们观察到高质量的软骨细胞与在植入前未使用抑制剂治疗的对照组相比,肥大程度降低了。”

“我们的方法所提供的机会及其已经帮助我们提供的信息是朝着真正的治疗性关节软骨生成迈出的重要一步,我们收集到的一些见解也可以被用于增强患有糖尿病的关节软骨患者的功能。骨关节炎和更个性化的治疗策略,” Khademhosseini说。他的团队与Alsberg干细胞和新型治疗药物(ASCENT)实验室合作,继续致力于Terasaki研究所的个性化植入物,个性化细胞和个性化材料平台的界面。

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