跨越科学通道推进组织工程
生物软骨工程可能会改变骨关节炎患者的游戏规则
由生物激发生长因子递送策略制成的工程软骨标本（如图）可以为减轻关节炎关节疼痛铺平道路。Jackie Ricciardi摄
当你想象一个患有骨关节炎的病人时，你可能会想到一个与髋部疼痛作斗争的祖母，或者一个手指僵硬到无法在钢琴键上弹奏旋律的祖父。但这种影响着3000多万美国人的疾病，比这要普遍得多。它夺去的生命可能比心脏病或乳腺癌少，但关节间缓冲软骨的日常磨损会导致严重的疼痛，如果不治疗，可能会导致永久性残疾。
患者可以通过药物治疗疼痛或通过改变生活方式来减缓退化，但最终软骨的损失是不可替代的。自20世纪90年代组织工程领域出现以来，组织工程师一直致力于开发快速和可持续的方法，在实验室中重建关节软骨，以便临床植入患者的关节。在过去的几十年里，该领域取得了进展；然而，事实证明，完美地重建组织比科学家们最初认为的更具挑战性。该领域的临床澳门威尼斯人注册网站研究在很大程度上令人失望。
但是，波士顿大学工程学院机械工程、生物医学工程和材料科学与工程助理教授Michael Albro的生长因子机械生物学实验室的澳门威尼斯人注册网站研究表明，开发出一种方法来培养组织，而不会出现与工程软骨相关的典型不稳定性或缺陷。
通常，当生物医学工程师在实验室中构建软骨时，他们会在培养皿中构建一个培养的果冻状环境，并引入一种叫做生长因子的蛋白质，这种蛋白质帮助细胞决定它们长大后的样子。
“这些生长因子在体内的浓度很低，但它们却非常有效，”阿尔布罗说。“在一个只有细胞大小的空间里，只有少数分子存在。如果你将其与我们更熟悉的营养物质（如葡萄糖）进行对比，你就会发现，在同一个空间里有数十亿个分子。”
一种常见的生长因子tgf - β是软骨生长的重要组成部分，但阿尔布罗表示，该领域尚未完全了解它。
在人体内，这些少量的tgf - β蛋白开始时是无活性的，然后通过人体强大的调节系统慢慢激活，通过溶解保护壳（几乎像一个凝胶胶囊）逐渐释放出它们的活性形式。但为了在实验室中看到更快的结果，Albro说，通常的做法是添加这些已经处于活性形式的蛋白质，并且浓度远远高于体内自然发生的浓度。
“我们现在所了解的是，这些超生理剂量的tgf - β实际上会引起病理症状，”Albro说。“如果你仔细观察正在形成的组织，就会发现它远非理想状态。”
这些病变包括退行性变——讽刺的是，这很像骨关节炎患者的天然软骨——以及产生一种更不柔韧的胶原蛋白，这种胶原蛋白通常存在于骨而不是软骨中。有趣的是，发育生物学家澳门威尼斯人注册网站研究这种现象已经有一段时间了。他们的澳门威尼斯人注册网站研究表明，tgf - β的活性形式水平过高会导致各种病理，包括癌症和纤维化。
阿尔布罗说：“我总是被这两个领域澳门威尼斯人注册网站研究人员观点的差异所震惊。”“工程师擅长快速实现功能性结果，但发育生物学家对这些生长因子在体内的作用有着非常复杂的理解。这两种观点都有不可思议的价值。”
阿尔布罗的实验室在尝试更仔细地培育软骨时，所看到的结果证明了这一点。Albro的实验室没有添加高浓度的活性形式的tgf - β，而是添加自然水平的非活性形式的tgf - β，让细胞在需要时使用它——就像身体一样。虽然还处于初步阶段，但阿尔布罗说，这种受生物启发的方法可以在一个月内培养出软骨，结果与天然软骨更接近。
“我们认为这很容易成为所有肌肉骨骼组织工程的黄金标准，”阿尔布罗说。“因为tgf - β在所有这些领域都是如此普遍，这适用于肌腱、韧带等。所有这些不同的组织都能从中受益。”
接下来，Albro和他的本科生、硕士和博士生实验室正在继续他们的跨学科努力，与波士顿大学生物医学工程工程系教授Mark Grinstaff和艺术与科学学院的化学教授，以及阿拉巴马大学伯明翰分校的生物学专家Joanne Murphy-Ullrich合作，进一步完善他们的方法，并越来越多地使其与人体的自然方法保持一致。
阿尔布罗说：“我认为，在过去几年的跨学科澳门威尼斯人注册网站研究中，有很多希望和赞赏。”“（澳门威尼斯人注册网站研究人员）意识到，如果他们不与其他学科的专家交流，他们就会错过很多好东西。如今，最好的发现确实是在这些学科的交叉点上取得的。”
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