培育人类“迷你骨骼”的新方法

人体骨骼可以在小骨折后恢复，但如果骨折过大或再生过程不平衡，如骨质疏松症，就需要治疗。为了开发治疗方法，经常使用动物实验，但以这种方式开发的一些治疗方法对人类不起作用。因此，Bregje de Wildt在她的博士研究中探索了在实验室中培育人类“迷你骨骼”的方法，可以用来测试治疗药物，也许在未来，当测试这些药物时，就不需要任何动物实验了。

人体依靠骨骼来支撑、保护器官、运动以及矿物质的吸收和分解。“骨头可能看起来僵硬而静止，但实际上，骨头总是在变化和进化，”比利时理工大学生物医学工程系的Bregje de Wildt博士说。“细胞来了又去。特别是，破骨细胞分解并吸收骨头，而成骨细胞形成等量的新骨头。”

听起来有点奇怪骨细胞名字中有“blast”这个词与骨骼生长有关，但它的这部分名字来自希腊单词blastano，意思是发芽或发芽。“破骨细胞和成骨细胞共同促进我们骨骼的重塑或再生能力。大多数情况下，小的骨折都是小意思，但对于大的骨折，或骨质疏松等情况下的破骨细胞和成骨细胞活性不平衡，则需要治疗。”

治疗的发展

骨骼疾病的治疗通常通过动物实验．在荷兰，每年大约有50万只动物被用于实验。在世界范围内，这个数字估计在1亿左右。“不幸的是，只有不到十分之一的治疗方法使用动物实验对人类也有效，这很可能是因为所使用的动物和人类的基因差异太大了，”德·维尔特说。

因此，为了帮助评估人类骨组织的治疗方法，de Wildt和她的骨科生物力学和生物工程骨骼研究小组的合作者决定，最好的行动方案是首先使用人类骨组织。德·维尔特说:“我们没有让人来测试治疗方法，这在很多层面上都是不道德和有风险的，我们探索了一种在实验室里培养活的人类‘迷你骨头’的方法。”

组织工程的关键成分

为了培育“迷你骨头”，德·维尔特需要四个主要部分。首先，她需要专业干细胞被称为父细胞。不像多能干细胞这些细胞可以在体内变成任何类型的细胞，但亲本细胞只能变成成骨细胞或破骨细胞。De Wildt说:“这些亲本细胞需要接收正确的生化信号来帮助它们转变为破骨细胞和成骨细胞。”

其次，德·维尔特需要一种结构，使骨细胞可以融合在一起，形成“迷你骨”。“为此，我们使用了蚕丝，因为它是一种具有良好机械性能的材料，具有生物相容性人类细胞可以在材料上三维生长，”德·维尔特说。

第三，细胞需要骨骼生长和茁壮成长的环境。“这些细胞被放置在37摄氏度的培养箱中，并控制氧气和CO₂以及湿度水平，”德·维尔特说。

最后，为了尽可能地模拟骨骼，骨细胞被放置在生物反应器中，然后将其放置在培养箱中。De Wildt:“生物反应器循环营养液，并复制人体骨骼所经历的机械负荷。为了让‘迷你骨头’成为真正骨头的代表，细胞需要经受住这些力量的挑战。”

总之，这些都是必不可少的组织工程自20世纪90年代以来，它一直被用于再生医学，为身体种植植入物，”德·维尔特说。“但最近，组织工程已被用于制造体外版本的人骨，这是在人体外生长的骨骼版本。”

探索组织工程学

在她的研究中，de Wildt和她的同事们探索了与体外生长“迷你骨头”相关的许多不同方面。在一项研究在美国，他们寻找一种替代胎牛血清(源自未出生的牛胎儿)的物质，作为细胞的营养来源。德·维尔特说:“我们发现了一种来自人类的牛血清替代品，它可以更好地生长‘迷你骨骼’。”

而在另一项研究，德维尔特和她的同事开发了一种矿化丝支架的方法。人体内的矿化是软组织变成硬组织的过程。“我们的灵感来自骨骼如何获得强度，这与胶原蛋白和矿物质(如钙和磷酸盐)在骨骼中的组织方式有关。矿化丝支架支持破骨细胞的吸收和成骨细胞的形成。这种生长骨骼的微型方法使我们能够研究骨骼是如何在体外被人类细胞重塑的。”

除了观察营养补充和支架材料外，de Wildt还研究了生化和生物力学培养环境的变化如何影响骨吸收和骨形成。“我们改变了培养环境，以更接近体内环境人体我们研究了这些环境对骨骼吸收和形成之间平衡的影响，这是健康骨骼再生的一个特征，”德·维尔特说。

对未来的希望

德怀尔特对她的研究抱有很大的希望，尤其是考虑到骨病的普遍存在。“骨质疏松症是最常见的骨重塑疾病，大约五分之一的人受到影响。虽然它不是致命的，但它会影响生活质量，在某些情况下，骨折可能是致命的。我希望这项研究能有助于更好地治疗骨骼疾病。考虑到我们的人口寿命越来越长，越来越多的人在晚年出现骨骼问题，这些当然是必要的。”

此外，de Wildt热衷于她的研究，以帮助改变我们在未来测试治疗方法的方式。“我确实理解需要动物模型来回答一些研究问题。然而，我很难将它们用于研究目的。在荷兰，规定相对严格，但也有一些国家的规定有限。我希望我的研究将有助于转向更多的“迷你骨骼”，以取代动物实验骨研究”。