《Science》子刊发布关节软骨再生重大突破，“不死癌症”有救了

生长因子或干细胞治疗有效率很低

其他部位的自体软骨移植是“拆东墙补西墙”

异体移植会免疫排斥

人工合成的软骨支架承重不佳，容易断裂……

骨关节炎亦称为骨关节病、退行性关节炎、增生性关节炎、老年性关节炎，是一种病因尚不明确的以关节软骨退行性变和继发性骨质增生为特征的慢性关节疾病。好发于负重较大的膝关节、髋关节、脊柱及远侧指间关节等部位。

临床上表现为进展性关节疼痛，可有晨僵、关节肿大等，一般不可治愈，被称为“不死癌症”。

有调查表明，我国45岁以上人口中，每100人就有8人患有有症状的膝骨关节炎。而目前的常规治疗主要集中于抗炎和止痛，只能缓解症状，治疗方法不尽人意。

无独有偶，骨关节炎同样也是困扰美国人疼痛和残疾的首要病因之一。

据统计每年有超过3200万的患者会花费平均16000美元投入治疗。

面对上述情况，美国康涅狄克大学的研究人员们提出新构思：

首先，他们发现聚L-乳酸（PLLA）纳米纤维制作的生物可降解支架，具有压电特性，植入人体后。当关节产生挤压时，即可产生微电流，也就是说走路之类的运动会让关节的PLLA支架产生微弱但恒定的电场，促进干细胞的软骨分化，而且这个过程不需要在支架上额外添加生长因子或干细胞。

（术后的兔子在跑步机上运动，可以刺激膝关节内的压电装置产生电流，刺激软骨再生，恢复膝关节功能。图片来源：Thanh Nguyen/University of Connecticut and UConn Health）

研究人员不仅揭示了这其中的机制，还在软骨损伤严重患有骨关节炎的兔子模型中验证了支架的有效性。

据观察在植入支架并进行运动恢复后的1-2个月，兔子经历了完整的软骨再生和愈合，甚至可以在跑步机上正常地奔跑。

这项研究成果一经发布，便以封面的形式发表在了《科学·转化医学》杂志上。

其实很早以前，科学家们就已经知道软骨对电刺激很敏感，可以利用电刺激促进软骨修复。

但是，这项治疗一直存在着植入电刺激设备可能会导致感染和疼痛，无创的外部电磁场设备效果不好的问题。

有一句话叫所有的命中注定都是厚积薄发。

该研究的作者Thanh Nguyen实验室其实一直都在研究软骨再生，但是直到Nguyen的博士和博士后生涯研究的内容涉及到生物可降解材料技术平台以及生物界面纳米压电学，他才惊喜地发现PLLA生物可降解压电纳米纤维的可用性。

首先，Nguyen把这项研究使用在重约3kg的骨关节炎兔子身上，在PLLA压电纳米纤维薄膜制作的3D软骨支架植入兔子体内后，支架是用胶原蛋白粘合的，胶原蛋白黏附层的空间为细胞提供了生长空间。并且，在兔子关节运动压力下，稳定地产生电流。

其次，体外实验显示，用适当的机械压力刺激支架，相比不具有压电性能的支架，兔子脂肪来源的干细胞迁移速度更快，并且更多地向软骨细胞分化，相关基因的表达，以及糖胺聚糖（GAG）和II型胶原蛋白的水平显著增加，支架对脂肪来源的干细胞也没有产生毒性。

最后，通过手术给它们的膝关节植入支架，休息好后，开始进行每天20分钟的运动训练，在坚持运动1个月和2个月后对软骨的恢复情况进行记录。

记录显示：相比假手术组和非压电支架组，压电支架组兔子的软骨再生更多，关节表面更平滑，植入物与软骨的整合性更好，再生的软骨呈有光泽的白色，2个月时的软骨体积显著高于1个月时的测量结果（P=0.03）。和体外实验一致，压电支架组GAG和II型胶原蛋白的水平也显著增加。

并且，研究人员发现了三个PLLA压电纳米纤维支架促进软骨恢复的潜在机制。

1. 压电支架相比非压电支架能够吸附更多的纤维连接蛋白

2. 压电刺激使得细胞中的转化生长因子-β1（TGF-β1）水平增加，TGF-β1在干细胞成软骨分化过程中起着重要作用；

3. 压电刺激部分增加了电压门控钙离子通道（VGCC）的打开，增加了钙离子向细胞内流入，增加了软骨形成。

但是对于这个研究成果，Nguyen也表示：“我们要谨慎地看待，因为兔子体型较小，未来还需要在体型更大、更接近人类的动物中进行测试，并且延长观察时间，以确保恢复后的软骨的耐用性，并要考虑在老年动物中进行测试。只有在这些方面继续取得成功，才能让更多的患者获益。”

文/达尼亚