《科学》子问题:关节软骨再生的重大突破

来源：应玉燕2022-01-16 08:56

不管你是健身狂魔还是宅男，大家肯定都看过一些科普，知道如果运动，一定要保护好膝盖软骨。它的缓冲作用对于正常的生活和锻炼极其重要，可以避免骨骼的直接碰撞。但随着年龄的增长或骨关节炎等疾病的发生，软骨会逐渐磨损，难以主动修复，使人连走路都困难，人们仅凭想象就能感受到难以言喻的痛苦。然而，目前的常规治疗主要集中在抗炎和止痛方面，只能缓解症状，其他治疗也是如此

不管你是健身狂魔还是宅男，大家肯定都看过一些科普，知道如果运动，一定要保护好膝盖软骨。它的缓冲作用对于正常的生活和锻炼极其重要，可以避免骨骼的直接碰撞。但随着年龄的增长或骨关节炎等疾病的发生，软骨会逐渐磨损，难以主动修复，使人连走路都困难，人们仅凭想象就能感受到难以言喻的痛苦。

但目前常规治疗主要以消炎止痛为主，只能缓解症状，其他治疗不尽如人意，如生长因子低下或治疗效率低下。来自其他部位的自体软骨移植无疑是“拆东墙补西墙”，同种异体移植会产生免疫排斥，而人工软骨支架承重差且易断裂.

我该怎么办？美国康涅狄格大学的研究人员提供了一个新的技巧：由聚左旋乳酸(PLLA)纤维制成的生物可降解支架具有压电特性。植入后，当关节受到挤压时，会产生微电流。当行走等可以使关节有规律地运动时，PLLA支架会产生微弱但恒定的电场，促进软骨分化。这个过程不需要添加额外的生长因子或。

研究人员不仅揭示了其机制，而且还验证了该支架在严重软骨损伤的兔骨关节炎模型中的有效性。支架植入和运动恢复1-2个月后，兔子经历了完全的软骨再生和愈合，可以正常面对跑步机上的阻力(如图)。研究成果以封面研究的形式发表在《科学转化医学》杂志上。

该项研究的通讯记者Thanh Nguyen的实验室一直在研究软骨再生。虽然科学家很早就知道软骨对电刺激敏感，可用于促进软骨修复，但生物电在体内无处不在，也被认为是促进组织再生的因素之一。

但植入电刺激设备可能引起感染和疼痛，无创外电磁场设备效果不佳。相比之下，压电材料是最好的选择。它们被挤压或变形时会产生电流，植入后关节运动时会产生电刺激。但普通压电材料不可降解或有毒，安全性不够。

碰巧的是，Nguyen的博士和博士后生涯研究涉及生物可降解材料技术平台和生物界面压电。此前，他的团队报道了PLLA生物可降解压电纤维的可用性，这为这项研究奠定了坚实的基础。

这一次，他们首次验证了由PLLA压电纳米纤维膜制成的3D软骨支架植入兔体内后，能够在兔关节运动的压力下稳定产生电流。支架与胶原结合，胶原粘附层的空间提供细胞生长空间。

体外实验表明，当支架受到适当的机械压力刺激时，与没有压电性能的支架相比，兔脂肪来源的干细胞迁移更快，更多地分化为软骨细胞，相关基因的表达、糖胺聚糖(GAG)和型胶原的水平显著增加，对脂肪来源的干细胞无毒。

接下来，是时候在体内再次验证这一现象了。研究人员选择体重约3公斤的骨关节炎兔，通过手术在其膝关节植入支架，术后休息一个月，然后开始运动训练，每天在跑步机上跑步20分钟，分别记录1个月和2个月运动后软骨的恢复情况。

与假手术组和非压电支架组相比，压电支架组软骨再生更多，关节面更光滑，种植体与软骨结合更好，再生软骨呈亮白色，2个月时软骨体积明显高于1个月时(P=0.03)。与体外实验一致，压电支架组的糖胺聚糖和型胶原水平也显著升高。

在最后的实验中，研究人员发现了三种PLLA压电纳米纤维支架促进软骨恢复的潜在机制。首先，压电支架比非压电支架能吸收更多的纤连蛋白，这是组织愈合的第一阶段。其次，压电刺激增加细胞中转化生长因子-1(TGF-1)的水平。TGF-1在软骨形成分化中起重要作用，也是体外软骨形成培养基的重要组成部分。第三，压电刺激增加了电压门控钙通道(VGCC)的开放，增加了钙离子流入细胞，增加了软骨形成。

Nguyen对这个研究结果表示非常兴奋，但他也指出，我们应该谨慎，因为兔子体积小，未来我们需要在更大、更接近人类的动物身上进行测试。此外，我们应该延长观察时间至少1-2年，以确保回收软骨的持久性，我们还应该考虑在老年动物中进行测试。他们的治愈和恢复更加困难，但只有我们在这些方面继续取得成功，我们才能让它变得更容易。(100yiyao.com)

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