关节磨损还有救吗?斯坦福科学家开发软骨再生新方法!

医药

在正常的关节中,软骨能够提供一个光滑而有弹性的缓冲垫,吸收骨头受到的震动和冲击。然而,成年的软骨几乎没有再生潜力,在受伤、因疾病被破坏、或是随年龄增长而磨损以后,久而久之就会导致骨头之间直接相互摩擦,引起疼痛和炎症。

好消息是,根据近日发表在《自然-医学》上的一篇研究论文,斯坦福大学医学院的科学家们利用干细胞技术开发了一种巧妙的方法,可以修复关节软骨,目前已经在小鼠模型和人类组织中得到验证。

关节磨损还有救吗?斯坦福科学家开发软骨再生新方法!

研究人员指出,有一种叫作“微骨折”(microfracture)的外科技术可以用来治疗受损的软骨,方式是在关节表面钻小孔,促使关节中产生新组织。不过,新产生的组织与天然软骨还是有区别的。“微骨折产生的所谓‘纤维软骨’更像是瘢痕组织。”这项研究的主要负责人Charles Chan教授介绍,“它覆盖在骨头表面,总比什么都没有强,但它不像天然软骨那样有弹性,而且还比较容易降解。”

Chan教授与其合作者Michael Longaker教授在先前的研究中,曾在人和小鼠体内都分离出了骨骼干细胞。这是一类有自我更新能力的细胞,可以分化产生包括软骨细胞在内的不同类型的细胞。

关节磨损还有救吗?斯坦福科学家开发软骨再生新方法!

▲这支研究团队在先前的工作中分离出了骨骼干细胞,为软骨再生打下基础(图片来源:参考资料[1])

而在这项新研究中,他们通过小鼠模型仔细分析了微骨折的发生过程,发现微骨折会激活一些骨骼干细胞。如果不进行任何干预,这些骨骼干细胞就会在关节中自然而然地再生为纤维软骨。

那么,如果在微骨折之后的愈合过程中对这些骨骼干细胞进行引导,可以让它们发育为软骨组织吗?研究人员设想,按照正常的成骨过程,细胞在成骨之前必须先经历软骨阶段,也就是说,可以让关节中的骨骼干细胞朝着成骨方向发展,并在它们处于软骨阶段“叫停”。

为此,研究人员先使用了一种叫作骨形态发生蛋白2(BMP2)的分子,在微骨折后启动骨形成,随后,又用一种抑制剂通过阻断血管内皮生长因子(VEGF)的信号,使得骨形成过程中途停止。

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▲在成年小鼠身上,用BMP2和VEGF抑制剂共同诱导骨骼干细胞,产生了新的软骨(图片来源:参考资料[1])

“我们最终得到了软骨,它们的细胞类型与天然软骨的一样,机械性能也不同于通常得到的纤维软骨,而是相似于天然软骨。”Chan教授说,“在骨关节炎小鼠中,这种再生的软骨让小鼠恢复了活动能力,让疼痛显著减轻。”

为了从原理上验证这种方法也能应用于人类,研究人员还通过异种移植模型,在小鼠身上证明,人类骨骼干细胞同样可以被引导分化,并且停留在软骨阶段。接下来,他们表示还会在体型更大的动物身上进行实验验证,并改进这一系统,以便更适合将来的临床应用。

研究人员在论文最后还指出了该研究发现的一个重要优势:其中用到的两种主要成分,BMP2和VEGF抑制剂,都已经有FDA获批的药物。因此如果这一潜在疗法得以在临床上证明其修复软骨的效果,患者有希望尽早获益。

“我们或许会先从小的人体关节开始临床试验。目前,手指关节炎的一种常见手术是取出手指根部的骨头。在这种情况下,我们希望尝试用新方法来挽救关节。”该研究第一作者 Matthew Murphy博士介绍,“如果行之有效,后续有望用于膝关节这样的大关节。”

关节置换手术是目前医生治疗关节炎的一种普遍方式。然而,关节置换的侵入性很强,而且人工关节寿命有限,因此很多患者只有在关节炎发作或是实在难以忍受长期疼痛之后才不得不选择置换手术。这项研究的科学家们说,他们希望通过新的技术方法,在问题出现之前就促进关节软骨的生长,从一开始就避免关节炎的发生。

参考资料:

[1] Matthew P. Murphy et al. Articularcartilage regeneration by activated skeletal stem cells, Nature Medicine(2020). DOI: 10.1038/s41591-020-1013-2

[2] Researchers find method to regrowcartilage in the joints. Retrieved Aug. 22, 2020, from https://medicalxpress.com/news/2020-08-method-regrow-cartilage-joints.html