科学家在肌腱组织再生领域取得显著进展，“跟腱断裂”有望快速修复

来源：中国生物技术网 2022-05-07 13:52

所有带有间充质干细胞的纳米纤维在植入后都能很好地粘附在肌腱组织上

肌腱是人体重要的纤维结缔组织，在肌肉和骨骼之间传递力量以控制身体活动。然而，在剧烈运动中，突然施加的机械力可能会损伤肌腱。如：跟腱断裂。跟腱是人体最粗最大的肌腱之一，对行走、站立和维持平衡具有重要的意义。“跟腱断裂”这种听着都疼的状况通常在专业运动员，或爱跑步、爱打球的人中比较常见。“飞人”刘翔就曾两次在奥运会期间因跟腱断裂，不得不抱憾退赛。

损伤后肌腱导致特定结构被破坏，结缔组织从线状变为扭结状，还可能会产生过多的疤痕，从而改变肌腱的机械性能和承受负荷的能力。

在自然愈合的过程中，肌腱和其他细胞被招募来重建原始结缔组织纤维基质。然而到目前为止，肌腱组织修复仍是一个临床和科学挑战。像跟腱断裂后的恢复过程，短则一两个月，长则一年，并且恢复后的肌腱通常难以完全恢复功能，还可能会导致虚弱和慢性疼痛等引发生活质量下降的健康状况。

几十年来，科学家们开发了多种策略试图更有效地治疗肌腱损伤，包括人工移植。但异体移植往往会导致免疫排斥等并发症；而自体移植则有移植体坏死的风险。因此，机械力、生物相容性和生物降解问题一直在阻碍这些努力。

发表在工程技术领域顶刊《Small》（IF=13.281）上的一项新研究中，来自美国加州大学洛杉矶分校的研究团队发表了题为“Co-Electrospun Silk Fibroin and Gelatin Methacryloyl Sheet Seeded with Mesenchymal Stem Cells for Tendon Regeneration”的研究论文，在肌腱再生方面取得了显著进展。

间充质干细胞（MSC）是一种在组织再生中发挥关键作用的特化细胞。在伤口部位，它们可以分化成各种细胞类型并产生调节免疫反应、细胞迁移和新血管形成的信号分子。此前，科学家们曾尝试将MSC用于组织再生。

然而，MSC的全身输注、直接注射或基因修饰的治疗方法都存在障碍，如：输注缺乏对损伤部位的靶向特异性，直接注射又对细胞数量要求过高，基因修饰则效率低，产生的细胞难以分离。

在这项新研究中，研究人员开发了一种新方法——构建生物材料支架，通过支架引入间充质干细胞和生长因子，以生成新的肌腱组织。

首先，他们研究了丝素蛋白（SF），这是一种由家蚕生产的蚕丝蛋白。除了用于美丽的丝绸织物外，丝素蛋白还用于光学和电子设备，以及多种生物医学应用，从缝合材料到生物工程韧带、骨骼甚至是角膜组织。由于其优越的强度、耐久性、生物相容性和降解性，丝素蛋白非常适合用于肌腱支架。

为了提高支架的组织再生能力，研究人员又将丝素蛋白与甲基丙烯酰化明胶（GelMA）相结合。GelMA是一种光敏性生物材料，具有生物相容性、可降解性、硬度以及促进细胞附着和生长的能力。

研究人员表示，GelMA支持再生组织形成的能力，丝素蛋白具有结构优势，这两种材料的协同效应会特别适合肌腱修复。

随后，他们还制备了具有不同比例的丝素蛋白和GelMA的混合物（SG），并将它们制成纳米纤维薄片。然后，对其结构和弹性进行测试，从而确定了具有最佳机械性能的配方比（SF和GelMA的重量比为 7:1）。研究人员观察到，丝素蛋白使支架材料的孔隙度增加，这更有助于肌腱修复。

优化后的SG纳米纤维被植入间充质干细胞（MSC），研究人员测量了MSC的相容性和分化、生长因子产生，以及引发基质形成的遗传活性。

他们发现，与未使用GelMA的丝素蛋白纳米纤维相比，丝素蛋白与GelMA复合物（SG）上的MSC细胞活力和增殖能力均有所提高。遗传分析显示，SG中的MSC相关基因活性显著增加，而丝素蛋白纳米纤维上的相关基因活性较低。

染色测试显示，SG上MSC的附着率超过了80%，并且附着的细胞具有细长形状的特征；而丝素蛋白纳米纤维上观察到的球状细胞的附着率为60%。

进一步测试表明，SG上的MSC产生的生长因子能很好地修复在培养皿中培养的受伤肌腱组织。

最后，研究人员使用大鼠跟腱损伤模型研究了SG的治疗效果。他们发现，所有带有间充质干细胞的纳米纤维在植入后都能很好地粘附在肌腱组织上，与通常需要固定过程的传统支架相比，SG纳米纤维在临床应用上更加实用，它促进了最快速的愈合，使损伤部位减少，并形成了排列整齐、致密的肌腱纤维和重塑的肌肉成分。

研究通讯作者、加州大学洛杉矶分校生物工程和微创治疗中心的Ali Khademhosseini博士说："肌腱修复的组织重塑尤其难以实现，我们的工作大大推进了这一进展"。

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