更好的移植获得更好的关节:仔细观察软骨再生中的微机械失配影响

来自Terasaki生物医学创新研究所(TIBI)、伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)和浦项科技大学(POSTECH)的科学家组成的合作团队阐明了如何促进关节软骨的生成以及如何避免替代骨形成的一些关键点。他们的发现可能为设计更有战略意义的移植手术铺平道路，这种移植手术比目前的方法更便宜，更有效地治疗关节软骨损伤。

由于关节内的血液供应有限，软骨细胞数量较少，人体很难愈合受损的软骨。目前的治疗方法包括将患者完整的软骨从一个关节移植到受损的关节上，增加血液流动通过在受影响的软骨下面的骨头上穿孔来修复受损的关节)，或者将患者的软骨细胞从一个关节移植到另一个关节。这些方法都是昂贵的，并不能充分恢复受损关节的功能。

软骨修复的一个更好的选择是使用人类间充质干细胞(hMSCs)，这种细胞很容易获得，可以更新并分化成各种类型的细胞，包括软骨细胞。有了这些细胞，移植可以更有效地进行软骨再生。

人体的关节及其对软骨再生的调节极其复杂，不仅受到化学信号和外力的影响，而且还受到其他因素的影响机械性能在关节内部。在关节内，软骨细胞被两个不同的层包围——细胞周围基质(PCM)和软骨细胞细胞外基质(ECM)。

PCM是一个狭窄、柔软的层，紧密包围着软骨细胞。ECM是围绕PCM的更坚硬的层，它锚定并为细胞提供结构支持。众所周知，周围基质的力学特性可以影响hMSC软骨的形成，较软、降解速度较快的基质推动关节软骨的形成，而较硬、降解速度较慢的基质促进软骨过度生长，从而导致不良的骨形成。

因此，如果要设计植入物来取代受损的软骨，必须尽可能地重新创造这些微力学特性，以推动适当的软骨再生和与健康的原生软骨的整合。我们还必须考虑外部机械应力对植入物的影响，这可能会影响细胞的行为。

研究人员通过创造创新的软骨组织等价物作为原生软骨的模型来检查这些特性及其影响。为了创建PCM模型，他们使用微流控技术创建了均匀大小的嵌入hMSCs的微型水凝胶液滴。然后，这些微型水凝胶被模拟ECM的坚硬聚合物层包裹。

模拟有规律的身体动作关节，科学家们使用了一种芯片，对定制工程的微机械性能不匹配的hmsc负载PCM/ECM模型施加压力，并测量产生的生物分子。从这些实验中，科学家们能够找到更好的软骨再生的最佳条件，同时也减少了过多的软骨形成。

这些结果在动物模型中也得到了验证。PCM/ECM组织模型接下来被植入小鼠体内，当施加外部压力时，组织对软骨形成的微机械失配效应成功地维持了三周。

科学家的总体结论是，PCM的刚度和退化以及PCM- ecm的微机械失配特性与循环机械压缩协同工作，以推动hMSCs中理想的软骨形成。

TIBI董事兼首席执行官Ali Khademhosseini博士说:“由于软骨修复存在各种困难，我们的科学家在理解管理它的机制方面的工作是成功创造功能和再生的必要步骤软骨组织。”

这项研究发表在该杂志上事．