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组合筛查方法为改善关节软骨质量开辟了道路

(洛杉矶和芝加哥)-软骨远非软骨。作为具有各种特性的橡胶状弹性组织,它可以润滑我们的关节,使它们保持健康和运动,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声音盒子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,目前尚无策略能够持久修复或置换退化的关节(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,但是“在使用组织工程策略时防止纤维软骨和肥大性软骨的形成可能具有挑战性”,Eben Alsberg博士说。 D.,芝加哥伊利诺伊大学生物工程,骨科,药理学和机械与工业工程学教授Richard and Loan Hill教授,此前曾在Case Western Reserve大学任教。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已经发展,该曾任加州大学洛杉矶分校微创治疗中心主任和阿尔斯伯格一种基于多组分生物材料的筛选方法,可识别材料成分以及机械和分子刺激,使人类干细胞分化为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:“我们通过这种多组分体外方法对软骨工程进行了整体研究,方法是通过材料,生物力学和分子参数的许多组合进行高通量筛选,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形成软骨,从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3D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阵列进行筛选,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hMSCs,此外还嵌入了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。

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,将该设备分成多个小室,每个小室都连接到微流体支持系统。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。

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