美國凱斯西儲大學(Case Western Reserve University)研究人員發(fā)現(xiàn)，自組裝的間充質干細胞層與填充滿生長因子的微小珠子浸透在一起,，要比以前的組織工程方法形成更加厚和更加硬的軟骨,。該研究成果已經(jīng)發(fā)表在《控制釋放期刊》(Journal of Controlled Release)雜志上,。該研究是朝開發(fā)出可移植的軟骨替換又走近了一步,，并給治療由于骨關節(jié)炎(osteoarthritis)、運動損傷和事故而遭受破壞的膝,、肩,、耳和鼻帶來希望。
生物醫(yī)學工程和矯形外科系副教授Eben Alsberg,，也是這篇論文的主要作者,，他說，“我們認為利用病人自己的干細胞促進軟骨形成的能力和使用這種無需移植前長時間培養(yǎng)的方法的潛力使得這種技術有吸引力”,。
Alsberg和他的研究小組將轉化生長因子β-1放入生物可降解的明膠微球(gelatin microsphere, 亦可翻譯為明膠微珠)中,，而且這些明膠微球分布在整個干細胞層上，而不是簡單地將干細胞層浸沒在生長因子中,。Alsberg說,，這種工藝表現(xiàn)出很多優(yōu)勢。
這些微球提供類似于支架的結構,，在這些微小珠子(即微球)降解后在需要維持的細胞之間產(chǎn)生空間間隔,。這些間隔導致更好的水分保持---確保軟骨彈性的關鍵因素。
明膠珠子暴露在這些細胞釋放的化學物中發(fā)生降解,，而且是以一種可控的速率發(fā)生降解,。當這些珠子降解時，生長因子釋放出來并與干細胞層內(nèi)部和外部的細胞接觸,，從而使得干細胞更加均勻地分化為新生軟骨(neocartilage),。
微球降解的速率和由此造成的細胞分化速率能夠通過微球交聯(lián)的程度來進行修改。在微球內(nèi)部,，不同數(shù)目的生長因子交聯(lián)到聚合物上,。這些交聯(lián)越多,，就需要細胞分泌的酶花費更長時間進來并降解這些物質。
研究人員制造5種類型的干細胞層：分布有含生長因子的稀疏交聯(lián)的微球,、分布有含生長因子的高度交聯(lián)的微球,、分布不含生長因子的稀疏交聯(lián)的微球、分布不含生長因子的高度交聯(lián)的微球和沒有微球的對照層,。最后三種干細胞層在含有生長因子的浴缸中培養(yǎng),。
在有蓋培養(yǎng)皿(petri dish)培養(yǎng)三周之后，所有含微球的干細胞層要比對照層變得更加厚和更加富有彈性,，其中分布有稀疏交聯(lián)的微球的干細胞層長出最厚并且最有彈性的新生軟骨,。
這些結果表明稀疏交聯(lián)的微球，被細胞分泌的酶更快地降解,，為整個干細胞層持續(xù)性地供應生長因子,，從而改善干細胞分化為軟骨細胞(chondrocyte)的均勻性、程度和速率,。
培養(yǎng)出的這種組織非常類似于關節(jié)軟骨(articular cartilage)---在膝蓋中發(fā)現(xiàn)的堅硬軟骨：圓狀的細胞被大量含有粘多糖(glycosaminoglycan, 也譯為葡萄糖胺聚糖)的基質所包圍,。這種多糖將水離子封鎖在組織中，從而使得組織具有抗壓性能,。測試也顯示這種干細胞層含有最高量的II型膠原蛋白(collagen)---關節(jié)軟骨中主要的蛋白組分,。
盡管這種干細胞層要比對照層顯著性地堅硬不少，但是人們還不知曉自然軟骨形成機制,。Alsberg研究小組如今正在研究各種方法來優(yōu)化這種工藝以便制造出能夠抵抗日常生活磨損的足夠堅硬的替代性軟骨,。
這種工藝的一個主要的優(yōu)勢在于它可能避免在實驗室中長時間培養(yǎng)軟骨時所遇到的困難和高昂開銷成本，相反還能允許一塊軟骨片更快地移植到病人身上,。
因為含微球的干細胞層足夠堅硬在培養(yǎng)早期便可進行處理,，所以研究人員相信干細胞層只需一周或兩周就可能用于臨床治療。身體內(nèi)機械環(huán)境可能會進一步加強軟骨形成,，增加這種組織的強度和彈性,，從而使得該組織發(fā)育成熟。(生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1016/j.jconrel.2011.11.003
PMC:
PMID:
Engineered cartilage via self-assembled hMSC sheets with incorporated biodegradable gelatin microspheres releasing transforming growth factor-β1
Loran D. Solorio, Eran L. Vieregge, Chirag D. Dhami, Phuong N. Dang, Eben Alsberg
Self-assembling cell sheets have shown great potential for use in cartilage tissue engineering applications, as they provide an advantageous environment for the chondrogenic induction of human mesenchymal stem cells (hMSCs). We have engineered a system of self-assembled, microsphere-incorporated hMSC sheets capable of forming cartilage in the presence of exogenous transforming growth factor β1 (TGF-β1) or with TGF-β1 released from incorporated microspheres. Gelatin microspheres with two different degrees of crosslinking were used to enable different cell-mediated microsphere degradation rates. Biochemical assays, histological and immunohistochemical analyses, and biomechanical testing were performed to determine biochemical composition, structure, and equilibrium modulus in unconfined compression after 3 weeks of culture. The inclusion of microspheres with or without loaded TGF-β1 significantly increased sheet thickness and compressive equilibrium modulus, and enabled more uniform matrix deposition by comparison to control sheets without microspheres. Sheets incorporated with fast-degrading microspheres containing TGF-β1 produced significantly more GAG and GAG per DNA than all other groups tested and stained more intensely for type II collagen. These findings demonstrate improved cartilage formation in microsphere-incorporated cell sheets, and describe a tailorable system for the chondrogenic induction of hMSCs without necessitating culture in growth factor-containing medium
