仔细研究软骨再生中微观机械不匹配的影响

由寺崎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关节软骨生成的一些关键点促进以及如何避免替代性骨形成。他们的发现可以为设计更具战略性的工程移植物铺平道路，以比目前的方法成本更低、更有效地治疗关节软骨损伤。

由于关节内的血液供应有限，软骨细胞数量少，身体受损的软骨很难愈合。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关节，通过在受影响软骨下方的骨头上开小孔来增加流向受损关节的血流量，或者将患者的软骨细胞从一个关节移植到另一个关节。这些方法中的每一种都很昂贵，并且不能充分恢复受损关节的功能。

软骨修复的更好选择涉及使用人间充质干细胞 (hMSC)，这是一种现成的细胞，可以更新和分化成各种类型的细胞，包括软骨细胞。使用这些细胞，可以设计移植物以实现更有效的软骨再生。

身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，还受到关节本身的机械特性的影响。在关节内，软骨细胞被两个不同的层包围——细胞周基质 (PCM) 和细胞外基质(ECM)。

PCM 是一个狭窄、柔软的层，紧紧围绕着软骨细胞。ECM 是围绕 PCM 的较硬层，可锚定细胞并为细胞提供结构支撑。众所周知，周围基质的机械特性会影响 hMSC 软骨的形成，较软、降解更快的基质会驱动关节中的软骨形成，而较硬、降解较慢的基质会促进软骨过度生长，从而导致不良的骨形成。

因此，如果要设计植入物来替换受损的软骨，则必须尽可能接近地重新创建这些微观机械特性，以驱动适当的软骨再生并与健康的天然软骨整合。还必须考虑外部机械应力对植入物的影响，这会影响细胞行为。

研究人员通过创建创新的软骨组织等效物作为天然软骨模型来检查这些特性及其影响。为了创建 PCM 模型，他们采用微流体技术来创建大小均匀的嵌入 hMSC 的微型水凝胶液滴。然后，这些微型水凝胶被一个模拟 ECM 的硬聚合物层包裹起来。

为了模拟关节上的正常身体运动，科学家们使用了一种芯片，该芯片对载有 hMSC 的 PCM/ECM 模型施加压力，该模型具有定制设计的微机械特性不匹配，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，同时还能减少过多的软骨形成。

这些结果也在动物模型中得到证实。接下来将 PCM/ECM 组织模型植入小鼠体内，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维持了三周。

科学家们的总体结论是，PCM 刚度和退化以及 PCM-ECM 的微观机械失配特性与循环机械压缩协同作用，以驱动 hMSC 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，我们的科学家在了解控制它的机制方面的工作是成功创建功能性和再生性软骨组织急需的一步。”

该研究发表在《物质》杂志上。