干细胞&iPS

Stem cell:干细胞是一类原始且未特化的多潜能细胞,具有自我复制的能力。在一定条件下,它可以分化成多种功能细胞。 IPS为诱导多能干细胞,是指通过基因转染技术将某些转录因子导入动物或人的体细胞,使体细胞直接重构称为胚胎干细胞细胞样的多潜能细胞。

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神奇!科学家发明接骨黑科技,「伤筋动骨100天」或成为历史 | 临床大发现

来源:奇点 2018-06-07 15:11

                  小编推荐:您不可错过的2018(第十届)干细胞国际研讨会
在武侠电视剧里,我们经常会看到这样一个场景:男主角被打得七荤八素、五脏俱裂,得遇一高人运功疗伤,几个时辰之后,男主角又活蹦乱跳。这种疗伤方法实在是让人向往。近日,来自美国雪松西奈医疗中心(Cedars-Sinai Medical Center)的Dan Gazit和Gadi Pelled教授团队带来的接骨重磅研究,让我看到这种「神功」的影子。虽然没有「运功疗伤」那么科幻,但也足以震撼人心,因为他们用的是超声波帮助「骨不愈合」患者接骨疗伤。


Dan Gazit教授(左)和Gadi Pelled教授(右)

对,就是我们做腹部B超的那个设备。他们的这一重要研究成果刊登在著名学术期刊《科学转化医学》杂志上[1]。

超声扫一扫,断骨可接好

当然,如你所料,这件事情没那么简单,仅仅依靠超声波肯定是没办法帮助患者接骨的。他们是利用超声波将特定的基因导入到患者自身的干细胞里,促使干细胞转化成骨细胞,使骨不愈合患者的断骨自行愈合。「骨折不愈合」可以算是骨折界的「老大难」,它不仅是简单的断骨,而且骨折处会出现大的缺口,想「自我愈合」几乎是不可能的。

于是他们通常要接受「骨移植」治疗,但是如果是自身骨移植,那么从患者身上取其他部位的骨头会给患者带来很大的痛苦;而要是采取异体骨移植呢,又有可能出现排斥。

断成这样,疼!

目前,全世界范围内,每年进行骨移植的患者超过200万,而且这一数字还在持续上涨。所以,患者们迫切地需要新方法来拯救他们。Gazit和Pelled教授团队接骨的过程是这样的。首先,他们找来18头模式猪(主要是考虑到跟人类体格类似),把它们的腿骨锯掉1厘米。然后在猪骨折处植入了可降解的天然胶原蛋白支架填充伤口。

用胶原蛋白支架填充伤口

这个胶原蛋白骨架主要是为了给体内的间充质干细胞(MSCs)提供「栖息地」。而间充质干细胞具有很强的分化能力,可以转化成骨细胞。经过观察,在植入支架两周后,就有足够多的间充质干细胞被固定在了支架上。

间充质干细胞迁移到胶原蛋白支架上

然而,这个间充质干细胞啊,它的分化方向是不确定的,它可以变成骨细胞,但是也可以变成脂肪细胞。如果一不小心变成脂肪细胞,那小猪们就多了一个「关节」了。这可不是Gazit和Pelled教授要的。他们必须让间充质干细胞变成骨细胞。在分析了前人和自己之前的大量研究之后,Gazit和Pelled教授决定,把骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)基因搞到间充质干细胞,在BMP蛋白的引导下,间充质干细胞就可以定向地转化成骨细胞了。

于是,他们将BMP-6基因与特定的微泡混合,再注射到骨折部位,最后用高强度的超声波扫一扫这个区域。

在固定频率的超声波的刺激下,微泡就会随之炸裂,在间充质干细胞上炸出一些纳米级的小孔,BMP-6基因就能顺利进入细胞,去完成它伟大的使命。


微泡在超声波刺激下炸裂,间充质干细胞被炸出纳米级小孔,目的基因进入

Gazit和Pelled教授教授发现,约有40%的间充质干细胞表达了BMP蛋白,80%的间充质干细胞被诱导成了骨细胞。


间充质干细胞分化成骨细胞

让研究人员惊喜的是,8周后,所有试验猪的骨折都完全愈合了!而且修复的骨头与接受骨移植术的骨头一样强韧!


接上了,看上去更强了

这个速度简直让人惊叹。俗话说得好,「伤筋动骨一百天」,可这个疗法只要了56天,而且是非常难治的不愈合性骨折。其实这个新方法也不是「一蹴而就」的,在过去的几十年里,许多研究人员都在思考如何让患者的骨折部位自行长出新骨头来。他们首先将目标锁定在了骨形态发生蛋白(BMP)上,BMP是与骨骼形成密切相关的蛋白,能够诱导我们体内的间充质干细胞(MSCs)分化出骨组织。

由于BMP在体内很容易被酶降解失去作用,所以研究人员只能将BMP基因转入体内,通过表达得到BMP蛋白。过去呢,研究人员尝试用病毒载体来搭载BMP基因,虽然这种方法在实验室中用得太多太多了,但是一旦进入临床,安全问题就出现了。病毒载体可能会导致较强的炎症和免疫应答,甚至引起癌症[2]。所以,BMP基因的传递还需要更安全方便的方法。

在2013年的时候,有研究人员发现超声波或许是可以尝试的一个好工具,超声波可以在细胞膜上打出纳米级的小孔,让基因通过小孔轻松地进入并驻扎在细胞内[3-5]。在研究中,他们用超声在大鼠的股骨上打孔,将BMP家族中的BMP-2和BMP-7基因转入了骨细胞中,不过可惜的是,虽然确实有了一定量的骨组织再生,但是这个量仍然不足以治愈骨折。


治疗全过程

为什么会出现这种情况呢?研究人员发现原来是因为骨折部位的微环境太复杂,BMP-2和BMP-7置身其中的成骨潜能太低。为了解决这个问题,Gazit团队的研究人员只能继续寻找潜能高的基因,在这次的新研究中,他们发现BMP-6无论是在体内还是体外都比BMP-2/7的能力更强!

于是,研究人员用BMP-6基因进行了研究,得到的结果正是我们前面所提到的:8周后,所有试验猪的骨折完全愈合!

Gazit教授指出,他们的方法只需要进行微创手术,侵入性极低,而且既不需要外源性干细胞,也不需要骨移植,因此患者在治疗期间的感受会“平和”很多,也几乎不会出现什么副作用。总的来说,这个新办法安全地促进了全骨愈合,足以与金标准的移植相“媲美”。

研究人员还表示,随着进一步发展,将来他们的“治疗系统”还可能被用于许多不同的组织工程医学。
不过,质疑的声音也同样存在。德州大学休斯顿健康科学中心(UTHealth)麦戈文医学院的矫形外科教授Johnny Huard说,这项研究的结果只是我们推动这个领域向前迈进的一步。

他还指出,研究中使用的猪都在1岁以下,属于“年轻猪”,但实际上,年轻的动物和人比老年的有更多的MSCs,在骨折愈合方面有天然优势,而在临床上,老年人的骨折不愈合比年轻人要常见的多。所以Huard建议,在这种方法进入临床前,首先要在老年动物身上进行实验,观察效果究竟如何。

当然,如果后续研究在老年动物中获得了成功,那么临床试验似乎也是“指日可待”的了,相信有很多人能够从中受益。希望小编在老了之后,能有这个新方法“保驾护航”!

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