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歐陽宏偉課題組研發仿生“關節油漆”,快捷翻新破損關節面

來源 :基礎(chu)醫學(xue)系    發布時間 :2021-12-03    瀏覽次數 :86

骨關(guan)(guan)節(jie)炎(Osteoarthritis,OA)是一種高(gao)發的(de)(de)(de)、高(gao)致殘率的(de)(de)(de)關(guan)(guan)節(jie)疾(ji)(ji)病(bing),這種疾(ji)(ji)病(bing)的(de)(de)(de)發病(bing)率隨著(zhu)年齡的(de)(de)(de)增大逐漸(jian)增加,而(er)我國(guo)正面(mian)臨著(zhu)人口老齡化社會的(de)(de)(de)進程,以此(ci)趨勢(shi)骨關(guan)(guan)節(jie)炎將嚴重影響我國(guo)人民的(de)(de)(de)生活質量(liang),加重人民和社會的(de)(de)(de)負擔。探索老年骨關(guan)(guan)節(jie)炎的(de)(de)(de)發病(bing)機理與早期干預手段是21世紀醫學(xue)界亟待解決的(de)(de)(de)課題之一——香山科(ke)學(xue)會議第701次學(xue)術(shu)討論會。骨關節炎的(de)形成機制復雜(za),其(qi)中關節表面的(de)軟骨缺損是一個重要原因。因(yin)此,修復受損(sun)的關(guan)節(jie)軟骨是治療(liao)骨關(guan)節(jie)炎的重要途(tu)徑。軟(ruan)骨是(shi)一個特殊(shu)的組織(zhi),沒有血管和淋巴,缺損之(zhi)后自我修復的能力很差。修復大(da)面積、不規則的(de)非全層軟骨缺損(sun)是目前臨床治療上的(de)挑戰(zhan)。

圖1 受到老(lao)舊汽車噴漆(qi)翻新(xin)策略的啟(qi)發,設計了關節軟骨可(ke)用的新(xin)型生物材(cai)料,以“關節油漆(qi)”為名,快捷翻新(xin)破損(sun)關節面,為傷(shang)痕(hen)累累的軟骨帶(dai)來新生(sheng)

水(shui)凝(ning)膠材料(liao)由于(yu)(yu)具有(you)與生(sheng)(sheng)物(wu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)相似的(de)物(wu)理化學性質,被廣泛應(ying)(ying)用于(yu)(yu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)工程和(he)再生(sheng)(sheng)醫學。最近(jin),粘附(fu)性水(shui)凝(ning)膠已(yi)成(cheng)為組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)修復、傷口(kou)敷料(liao)和(he)止(zhi)血的(de)有(you)力(li)工具,在(zai)生(sheng)(sheng)物(wu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)、聚(ju)合(he)物(wu)和(he)金屬表(biao)面起到(dao)保護層(ceng)的(de)作用。受到(dao)老舊汽車噴漆翻新(xin)策略的(de)啟發(fa),滿堂彩歐陽(yang)宏偉團隊設計了(le)一種具有(you)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)黏(nian)附(fu)力(li)的(de)、抗(kang)壓的(de)、細胞親和(he)力(li)強的(de)、而且便于(yu)(yu)操作的(de)粘附(fu)性水(shui)凝(ning)膠材料(liao)體系,用來治療骨關節炎中(zhong)的(de)非全層(ceng)軟骨缺損。一般油(you)漆涂(tu)料(liao)由成(cheng)膜(mo)物(wu)和(he)溶(rong)(rong)劑(ji)(ji)組(zu)(zu)成(cheng),加以顏(yan)料(liao)和(he)一些助劑(ji)(ji)。成(cheng)膜(mo)物(wu)隨著溶(rong)(rong)劑(ji)(ji)流動至(zhi)特定部位,隨著溶(rong)(rong)劑(ji)(ji)的(de)揮發(fa),成(cheng)膜(mo)物(wu)發(fa)生(sheng)(sheng)聚(ju)集或(huo)聚(ju)合(he)反(fan)應(ying)(ying),即在(zai)物(wu)體表(biao)面形成(cheng)了(le)涂(tu)層(ceng)。傳統油(you)漆使用的(de)溶(rong)(rong)劑(ji)(ji)多為有(you)機溶(rong)(rong)劑(ji)(ji),成(cheng)膜(mo)物(wu)不(bu)具有(you)生(sheng)(sheng)物(wu)相容性,因此(ci)不(bu)適合(he)生(sheng)(sheng)物(wu)醫學的(de)應(ying)(ying)用。盡管如此(ci),我們(men)可以借鑒其(qi)原理,利用生(sheng)(sheng)物(wu)相容性良(liang)好的(de)仿生(sheng)(sheng)軟骨組(zu)(zu)分(fen)來構建可用于(yu)(yu)關節軟骨的(de)“油(you)漆”。(圖2)。

圖(tu)2 (a)關節油(you)漆使用以及化學機理示意(yi)圖(tu);(b)GelMA和(he)明膠的(de)(de)核磁共振氫譜(pu);(c)TNBS法測定明膠、低取(qu)代GelMA和(he)高取(qu)代GelMA中氨基的(de)(de)含量;(d)醛基化CS及其與GelMA作用后的(de)(de)傅里葉(xie)變換紅外光譜(pu);(e)GelMA水(shui)凝膠及其與醛基化CS作用之后的(de)(de)溶脹(zhang)曲線圖(tu)。

在(zai)新西(xi)蘭大白兔動(dong)物模型的(de)(de)研究(jiu)中(zhong),研究(jiu)者們發(fa)現(xian),當(dang)(dang)軟(ruan)(ruan)(ruan)骨(gu)(gu)(gu)(gu)表(biao)(biao)面(mian)受損(sun)后,若(ruo)未經(jing)任何治(zhi)療,軟(ruan)(ruan)(ruan)骨(gu)(gu)(gu)(gu)基質(zhi)(zhi)會發(fa)生進一步的(de)(de)退變和降(jiang)解(jie),而使用“關(guan)節(jie)油漆(qi)”處(chu)理(li)后則可以保(bao)(bao)持(chi)軟(ruan)(ruan)(ruan)骨(gu)(gu)(gu)(gu)的(de)(de)健康(kang),促進損(sun)傷軟(ruan)(ruan)(ruan)骨(gu)(gu)(gu)(gu)的(de)(de)再生。深入(ru)研究(jiu)后發(fa)現(xian),當(dang)(dang)軟(ruan)(ruan)(ruan)骨(gu)(gu)(gu)(gu)表(biao)(biao)面(mian)受損(sun)后,軟(ruan)(ruan)(ruan)骨(gu)(gu)(gu)(gu)細胞(bao)的(de)(de)凋亡(wang)和軟(ruan)(ruan)(ruan)骨(gu)(gu)(gu)(gu)基質(zhi)(zhi)的(de)(de)降(jiang)解(jie)都會越發(fa)嚴(yan)重,這可能是軟(ruan)(ruan)(ruan)骨(gu)(gu)(gu)(gu)表(biao)(biao)面(mian)缺(que)失后關(guan)節(jie)腔內的(de)(de)炎癥(zheng)因子(zi)更容(rong)易侵(qin)入(ru)軟(ruan)(ruan)(ruan)骨(gu)(gu)(gu)(gu)基質(zhi)(zhi),造成軟(ruan)(ruan)(ruan)骨(gu)(gu)(gu)(gu)降(jiang)解(jie)和關(guan)節(jie)炎癥(zheng)的(de)(de)惡性循環。而 “關(guan)節(jie)油漆(qi)”保(bao)(bao)護了(le)缺(que)損(sun)的(de)(de)軟(ruan)(ruan)(ruan)骨(gu)(gu)(gu)(gu)表(biao)(biao)面(mian),物理(li)阻隔(ge)了(le)炎癥(zheng)因子(zi)與軟(ruan)(ruan)(ruan)骨(gu)(gu)(gu)(gu)基質(zhi)(zhi),切(qie)斷(duan)了(le)病理(li)進程(圖3)。

圖3 兔(tu)子關節(jie)軟骨組織切片的(de)IF染

最(zui)后,作者在大(da)動物模型中(zhong)進一(yi)步驗證(zheng)了關(guan)節油漆的體內(nei)修復(fu)功能,證(zheng)明了關(guan)節油漆在體內(nei)軟骨修復(fu)中(zhong)的應(ying)用潛力(li)(圖4)。

圖4 (a)在體外使用“關節油漆(qi)”填充豬軟骨(gu)表面示意圖;(b)體內修復(fu)大體圖;(c)SO和(he)H&E組(zu)織學(xue)染色

以(yi)上工作(zuo)以(yi)“Biomimetic Joint Paint for Efficient Cartilage Repair by Simultaneously Regulating Cartilage Degeneration and Regeneration in Pigs”為題,發(fa)表于(yu)ACS Applied Materials & Interfaces雜志上(DOI: 10.1021/acsami.1c17629)。

本文共(gong)同第一作者為滿堂彩醫滿堂彩官網附屬第四醫院特聘研(yan)究員魏威博士,滿堂彩(cai)愛丁堡大學聯合滿堂彩(cai)官(guan)網博士生馬遠矚,滿(man)堂彩博士后張(zhang)顯著,滿(man)堂(tang)彩(cai)愛丁堡大(da)學聯合(he)滿(man)堂(tang)彩(cai)官網博士(shi)后周雯艷,通訊作者(zhe)為滿堂彩歐陽(yang)宏偉(wei)教授。該研(yan)究得到了國家重(zhong)點研(yan)發計(ji)劃、國家自然科(ke)學(xue)基(ji)(ji)金(jin)、浙江省(sheng)自然科(ke)學(xue)基(ji)(ji)金(jin)和中國博士后科(ke)學(xue)基(ji)(ji)金(jin)的(de)資助。