再生醫學新突破,史丹福大學用骨骼幹細胞成功再生關節軟骨

2020-12-15 澎湃新聞

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作者：Cathy

導言：在關節中相連骨的表面，覆有一層關節軟骨（articular cartilage），這種光滑且減震組織層的喪失是造成關節疼痛和關節炎的原因。近日，史丹福大學的研究人員利用微骨折技術激活了骨骼幹細胞，實現了關節軟骨的再生。

在美國，有5500多萬人遭受關節軟骨損傷的折磨，近四分之一的美國成年人患有關節炎，更多的人受到關節疼痛和炎症的困擾。很長一段時間以來，人們一直認為成年軟骨在受傷後不會再生。而近日，史丹福大學醫學院的研究人員發現了一種在小鼠和人體組織中再生關節軟骨墊的方法。

該研究由史丹福大學醫學院幹細胞生物學與再生醫學研究所的Matthew Murphy博士領導，並於8月17日發表在《自然醫學》雜誌上，題為「Articular cartilage regeneration by activated skeletal stem cells」

在該研究中，科學家發現了如何使關節軟骨再生的方法：首先對關節組織造成輕微損傷，然後在損傷癒合時，利用化學信號來控制骨骼幹細胞的生長。

外科助理教授Charles K.F.Chan博士說：「軟骨在成年後幾乎沒有再生潛力，所以一旦它受傷或消失，我們能為患者做的就非常有限。能找到一種方法來幫助身體再生這一重要組織是非常令人欣慰的。」

這項研究建立在史丹福大學先前的研究基礎上，該研究成功分離了骨骼幹細胞，這種自我更新的細胞同時也負責骨骼、軟骨和一種幫助骨髓中血細胞發育的特殊類型的細胞產生。

關節軟骨是一種複雜而特殊的組織，可在關節的骨頭之間提供光滑而有彈性的緩衝。當軟骨因外傷、疾病或僅僅是隨著年齡的增長而變薄時，骨骼會直接相互摩擦，引起疼痛和炎症，最終導致關節炎。

軟骨損傷可以通過一種稱為微骨折的技術來治療，該技術是在關節表面鑽一些小孔。微骨折技術促使人體在關節中產生新組織，但新組織與軟骨不太相似。

該研究的共同資深作者Chan說：「微骨折產生的纖維軟骨，實際上更像是疤痕組織，而不是天然軟骨。它能覆蓋骨骼，不過它不具有天然軟骨的彈性，而且它的降解速度相對較快，但總比什麼都沒有好。」

最新的研究部分是通過外科醫生Matthew Murphy博士的工作產生的，他是史丹福大學的客座研究員，現在在曼徹斯特大學工作。Murphy說：「我從未聽說有人真正了解過微裂縫的作用。現在我意識到了解這一過程的唯一方法是觀察微骨折後幹細胞的功能。」 Murphy也是該論文的主要作者。

Chan說，很長一段時間以來，人們一直認為成年軟骨在損傷後不會再生，因為組織中沒有很多可以激活的骨骼幹細胞。研究小組利用小鼠模型，證明微骨折確實激活了骨骼幹細胞。但是，這些被激活的骨骼幹細胞會按照它們自己的節律在關節中再生纖維軟骨。

但是，如果微骨折後的癒合過程可以轉向軟骨的發展而不是纖維軟骨呢？研究人員知道，隨著骨骼的發育，細胞在變成骨骼之前必須首先經歷軟骨階段。他們的想法是，他們可能會鼓勵關節中的骨骼幹細胞沿著走向骨骼的路徑開始，但在軟骨階段停止該過程。

研究人員使用一種稱為骨形態發生蛋白2（BMP2）的強大分子來啟動微骨折後的骨形成，隨後通過阻斷另一種對骨形成重要的信號分子，稱為血管內皮生長因子（VEGF）的分子中止了該過程。

Chan說：「我們最終得到的是軟骨，它由與天然軟骨相同的細胞組成，具有相似的力學性能，這與我們通常得到的纖維軟骨不同，它還恢復了骨關節炎小鼠的活動能力，並大大減輕了它們的疼痛。」

為了證明這種方法也可能在人體中起作用，研究人員將人體組織轉移到小鼠體內，使其移植後不會排斥組織，並能夠證明人體骨骼幹細胞可以引導骨骼發育，並止於軟骨階段。

下一階段的研究是在開始人類臨床試驗之前，對大型動物進行類似的實驗。Murphy指出，由於小鼠關節非常小，很難處理，因此當它們移入相對較大的關節時，可能會對系統進行一些改進。

第一個人體臨床試驗可能是針對手指和腳趾患有關節炎的人。Murphy說：「我們可能從小關節開始，如果行得通，我們將向膝蓋等更大的關節發展。目前，手指關節炎最常見的手術之一就是切除拇指根部的骨頭。在這種情況下，我們可以嘗試這樣做以保存關節。改進的潛力很大，而不利的一面是我們會回到以前的狀態。」

該研究的共同資深作者Longaker指出，他們發現的優點之一是潛在療法的主要成分被FDA批准為安全有效。他說：「BMP2已被批准用於幫助骨骼癒合，而VEGF抑制劑已被用作抗癌療法。這將有助於加快我們開發的療法的批准。」

關節置換手術徹底改變了醫生治療關節炎的方式，這一現象非常普遍：到80歲時，每10個人中就有1人會進行髖關節置換，20人中就有1人會進行膝關節置換。但是，這種關節置換術具有極強的侵入性，使用壽命有限，只有在關節炎發作和患者忍受持久疼痛後才進行。研究人員表示，他們設想有一天，人們可以通過在關節軟骨嚴重退化之前使關節中的軟骨恢復活力，從而避免患上關節炎。

參考：

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

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

原標題：《【Nature子刊】再生醫學新突破！史丹福大學用骨骼幹細胞成功再生關節軟骨》

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