研究前沿——仿生油漆保护关节软骨,快速翻新破损关节面

2022-01-05   文章来源:浙江大学医学院,浙江大学医学院附属第四医院   作者:欧阳宏伟,魏威 点击量:2338 我要说

骨关节炎(Osteoarthritis,OA)是最常见的关节疾病,目前已影响全球约2.4亿人,尤其在老年群体中发病率和致残率很高。骨关节炎带来的疼痛和行动不便对患者的身心都造成了负面影响。随着生活水平的提高,我国的人均寿命也不断延长,并逐渐进入老龄化社会,可以预测骨关节炎未来将严重影响我国人民的生活质量,造成社会负担。当前仍缺乏有效的手段来阻止骨关节炎的发展,临床上只能暂时缓解患者的症状,对严重的患者进行关节置换。对于骨关节炎,临床上的一大挑战是修复关节表面大面积的、不规则的非全层软骨缺损。

根据已有文献报道,软骨表面缺损会导致软骨层缺乏原有的保护,使软骨细胞外基质(ECM)暴露在关节腔中,关节腔内的炎症因子会破坏软骨ECM,导致ECM的降解,而降解的软骨ECM又会引起滑膜产生更多的炎症因子,加重炎症,形成恶性循环。另一方面,作为一种特殊组织,软骨中既没有血管、也没有淋巴,一旦遭遇缺损就很难自我修复。


图1 软骨表面缺损与骨关节炎的恶性循环

针对关节表面软骨缺损修复困难的问题,浙江大学欧阳宏伟教授团队提出仿生油漆保护受损软骨同时再生软骨的策略,该研究以Biomimetic Joint Paint for Efficient Cartilage Repair bySimultaneously Regulating Cartilage Degeneration and Regeneration in Pigs为题,发表在ACS Applied Materials & Interfaces上,浙江大学医学院附属第四医院的特聘研究员魏威是第一作者,欧阳宏伟担任通讯作者。


图2 ACS AppliedMaterials & Interfaces论文

一般油漆涂料由成膜物和溶剂组成,加以颜料和一些助剂。成膜物随着溶剂流动至特定部位,随着溶剂的挥发,成膜物发生聚集或聚合反应,即在物体表面形成了涂层。传统油漆使用的溶剂多为有机溶剂,成膜物不具有生物相容性,因此不适合生物医学的应用。

水凝胶材料由于具有与生物组织相似的物理化学性质,被广泛应用于组织工程和再生医学。最近,粘附性水凝胶已成为组织修复、伤口敷料和止血的有力工具,在生物组织、聚合物和金属表面起到保护层的作用。

该团队此次研发的“关节油漆”,以仿生天然软骨的成分为基本组分,结合原位自由基聚合反应技术、紫外光固化技术、席夫碱反应原理,使材料便捷地结合在软骨表面,形成涂层,有望解决上述问题。


图3 关节油漆示意图

对于软骨再生来说,软骨细胞表型的维持至关重要,为了获悉“关节油漆”的组成成分对于细胞表型的影响,他们在材料表面培养了人软骨细胞,通过PCR的方式检测了软骨相关基因的表达情况,发现材料不仅都能维持软骨细胞表型,还能通过调控材料组分的方式增强软骨相关基因的表达。


图4 关节油漆在体外维持软骨细胞表型

为研究关节漆的修复效果,该团队首先使用新西兰白兔作为动物模型,他们把“关节油漆”用于2mm×6mm宽、0.2mm深的缺陷上,并通过光聚合在软骨表面,进行原位固化。然后,分别在6周和12周后进行按组检查评估。发现未经“关节油漆”治疗组中的软骨已经开始发生病变,并且丢失了大量的ECM。而有“关节油漆”保护的组别则显示了正常状态的软骨。


图5 兔子关节软骨组织切片的H&E和番红O染色

另外,研究者们深入研究后发现,当软骨表面受损后,若未经任何治疗,软骨细胞的凋亡和软骨基质的降解都会越发严重,这可能是软骨表面缺失后关节腔内的炎症因子更容易侵入软骨基质,造成软骨降解和关节炎症的恶性循环。而 “关节油漆”保护了缺损的软骨表面,物理阻隔了炎症因子与软骨基质,切断了病理进程。


图6 兔子关节软骨组织切片的IF染色

最后,为了更好地模拟人类软骨,该团队使用了大动物模型来进一步研究“关节油漆”对急性软骨缺损的保护功能。结果发现,“关节油漆”处理组产生了缺损部位的填充组织,而未处理组的缺损仍然明显可见,且软骨可能正在发生病变。

作者简介


欧阳宏伟,浙江大学求是特聘教授,国家杰青,国家特聘专家,国家自然基金创新研究群体项目负责人。中国生物医学工程学会组织工程与再生医学分会主任委员,美国医学与生物工程院Fellow,国际骨科联合研究学会Fellow,长期从事运动系统损伤修复与再生研究,Google学术h指数62,i10指数130,入选斯坦福大学发布的“2020全球前2%顶尖科学家榜单”。制定了国家行业标准2项和卫生部管理规范1项,国内最先开展了临床关节软骨组织工程移植,开展了蚕丝医用材料国际首个临床多中心随机对照研究并获得国内首个蚕丝材料的第三类医疗器械证。以第一完成人获省部级科技奖励一等奖3项。2012年带领团队创建国内第一个生物医学专业并入选首批国家级一流本科专业建设点。


魏威,浙江大学医学院附属第四医院特聘研究员。本硕博毕业于南京理工大学,哈佛大学医学院联合培养博士研究生,浙江大学博士后。主要课题为骨关节炎中软骨缺损的再生以及组织粘附性水凝胶的开发,Google学术h指数25,i10指数29。目前担任SCI期刊Gels (IF=4.702) 首席客座编辑(Lead Guest Editor),担任 Chemical Engineering Journal(IF=13.273), Food Chemistry(IF=7.514),International Journal of Biological Macromolecules(IF=6.953), Cellproliferation (IF=6.831), Environmental Research(IF=6.498), Colloids andSurfaces B: Biointerfaces(IF=5.268)等期刊特邀评审专家。

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