科學(xué)家用干細(xì)胞3D生物打印出關(guān)節(jié)軟骨假體，有望改善運(yùn)動(dòng)員關(guān)節(jié)疾病治療

2021年9月27日，南極熊獲悉，來(lái)自日本佐賀大學(xué)和京都大學(xué)中山實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們用干細(xì)胞制作出3D打印的軟骨結(jié)構(gòu)，有望用于修復(fù)相關(guān)患者的大型軟骨缺陷。

研究人員使用人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs），利用無(wú)支架的Kenzan生物打印工藝創(chuàng)建了軟骨結(jié)構(gòu)，其中生物墨水的唯一支撐結(jié)構(gòu)是微針基質(zhì)。

據(jù)報(bào)道，科學(xué)家們的這項(xiàng)技術(shù)克服了基于支架的組織工程方法在創(chuàng)建軟骨樣結(jié)構(gòu)方面的局限性，如細(xì)胞相容性差和毒性，同時(shí)解決了傳統(tǒng)關(guān)節(jié)假體所具有的細(xì)菌感染問(wèn)題和與替換手術(shù)相關(guān)的一些風(fēng)險(xiǎn)。

這項(xiàng)研究的目的是為了治療運(yùn)動(dòng)員的關(guān)節(jié)炎等疾病，這些運(yùn)動(dòng)員不愿意接受金屬和塑料制成的人工關(guān)節(jié)的治療。

△3D打印過(guò)程的示意圖。圖片來(lái)自Biofabrication。

改善關(guān)節(jié)炎的治療

關(guān)節(jié)軟骨是一種承重的結(jié)締組織，覆蓋在骨頭的末端，以防止摩擦和保護(hù)關(guān)節(jié)。軟骨的損壞可因疾病、創(chuàng)傷和退行性病癥而發(fā)生，如骨關(guān)節(jié)炎，這是導(dǎo)致關(guān)節(jié)疼痛和不能活動(dòng)的主要原因之一。

全世界有超過(guò)3億人患有骨關(guān)節(jié)炎，造成了巨大的臨床和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。目前的手術(shù)治療，如微骨折和植入物，通常只關(guān)注病灶缺陷，不能產(chǎn)生持久的功能性軟骨。全關(guān)節(jié)置換也是晚期骨關(guān)節(jié)炎的唯一治療方法，植入物在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)缺乏耐久性，可能導(dǎo)致骨質(zhì)縮短和其他并發(fā)癥。

組織工程是全關(guān)節(jié)置換的替代方案，用于軟骨修復(fù)和關(guān)節(jié)保護(hù)，然而，該方法受到缺乏功能性細(xì)胞類型和生物材料的限制。軟骨細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)目前被認(rèn)為是最有希望的再生治療細(xì)胞來(lái)源，盡管它們會(huì)受到供體年齡、密度、活性、細(xì)胞表型和其他因素的阻礙。

iPSCs是一種替代性的細(xì)胞來(lái)源，在克服這些限制方面顯示出了希望，因?yàn)樗鼈兊淖晕腋�新潛力可以提供幾乎無(wú)限數(shù)量的具有多能性的細(xì)胞，它能夠分化成許多不同的細(xì)胞類型。因此，iPSCs被選為科學(xué)家們建立軟骨結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

△生物3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和打印18天后從Kenzan上取下的L型結(jié)構(gòu)的圖像。圖片來(lái)自Biofabrication

3D打印軟骨的發(fā)展

目前用于軟骨再生的組織工程技術(shù)在很大程度上可以分為基于支架的方法和無(wú)支架的方法，過(guò)去3D打印也已經(jīng)被利用于該領(lǐng)域的多個(gè)研究項(xiàng)目。

例如，來(lái)自查爾姆斯理工大學(xué)的科學(xué)家們之前已經(jīng)展示了利用3D生物打印技術(shù)治療骨關(guān)節(jié)炎的軟骨組織工程，中央昆士蘭大學(xué)的微生物學(xué)家探索了鱷魚蛋白和3D生物打印技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)修復(fù)關(guān)節(jié)損傷的可行性。在其他地方，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新穎的3D打印方法，以創(chuàng)建具有微孔的軟骨組織構(gòu)件，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)和氧氣擴(kuò)散。

最近，阿爾伯塔大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種3D生物打印方法，為術(shù)后面部毀容的癌癥患者定制鼻腔軟骨，斯旺西大學(xué)與無(wú)疤痕基金會(huì)合作，正在為無(wú)疤痕耳鼻移植3D打印軟骨組織支架。

目前在該領(lǐng)域取得進(jìn)展，并引人矚目的舉措是歐盟支持的TRIANKLE項(xiàng)目，該項(xiàng)目正在致力于開發(fā)3D生物打印的細(xì)胞修復(fù)腳踝植入物。去年，該項(xiàng)目得到了西班牙巴塞羅那足球俱樂(lè)部研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的支持，俱樂(lè)部已同意在其業(yè)余球隊(duì)中測(cè)試基于膠原蛋白的細(xì)胞移植，以期最終為未來(lái)的商業(yè)發(fā)行做好準(zhǔn)備。

△生物3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和管狀軟骨構(gòu)造的圖像。圖片來(lái)自Biofabrication。

用iPSCs 3D打印軟骨支架

日本科學(xué)家目前研究目的是利用3D生物打印機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)解剖學(xué)大小和形狀的無(wú)支架軟骨結(jié)構(gòu)，該研究使用了Cyfuse生物醫(yī)學(xué)公司的Regenova Bio-3D打印機(jī)。Regenova是一種新型機(jī)器人系統(tǒng)，通過(guò)將細(xì)胞球狀體置于細(xì)針陣列中，即Kenzan方法，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的三維數(shù)據(jù)，完成三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)的制造。

Regenova打印機(jī)采用了由81根針組成的9×9方形Kenzan陣列，由676根針組成的26×26方形Kenzan陣列，以及由36根針組成的直徑為7毫米的圓形Kenzan陣列，以便3D打印各種尺寸的軟骨原件。

首先，iPSCs通過(guò)MSC誘導(dǎo)向軟骨細(xì)胞（軟骨形成的代謝活性細(xì)胞）分化，形成高度軟骨原性和有效的iNCMSCs。然后對(duì)iNCMSCs進(jìn)行了生物打印過(guò)程的優(yōu)化，再確定最短成熟期。上面列出的各種類型的Kenzan被用來(lái)制作更大的軟骨構(gòu)造，這些軟骨構(gòu)造是專門為不規(guī)則缺陷而設(shè)計(jì)的。

第一個(gè)構(gòu)建體證實(shí)了該方法維持形狀的潛力，被打印成90度角的L形。從Kenzan上取下后，該結(jié)構(gòu)能夠保持所應(yīng)用的設(shè)計(jì)，并能承受機(jī)械操作，盡管其總面積僅有為2cm2。

憑借7毫米的圓形Kenzan陣列組合，科學(xué)家們能夠?qū)��?gòu)建物的尺寸增加到6厘米見方的半管狀結(jié)構(gòu)，這可以用來(lái)治療一個(gè)寬闊的彎曲區(qū)域，如髕骨表面。

△生物3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和關(guān)節(jié)面形狀構(gòu)造的圖像。圖片來(lái)自Biofabrication。

通過(guò)他們的方法，科學(xué)家們能夠成功地3D打印出尺寸和形狀合適的無(wú)支架、可自我維持的軟骨構(gòu)造，用于修復(fù)較大的軟骨缺陷。研究人員還發(fā)現(xiàn)，這些構(gòu)建物的強(qiáng)度幾乎與正常軟骨相同。

科學(xué)家們基于細(xì)胞的關(guān)節(jié)假體的耐久性將在未來(lái)的研究中繼續(xù)評(píng)估，并希望它能解決傳統(tǒng)關(guān)節(jié)假體所具有的細(xì)菌感染問(wèn)題和與置換手術(shù)有關(guān)的一些風(fēng)險(xiǎn)。

然而，他們也指出，雖然使用iPSC衍生的細(xì)胞作為源材料有很多好處，但它仍然非常昂貴。因此，他們表示，在進(jìn)行更加耗費(fèi)時(shí)間和金錢的體外研究之前，對(duì)該技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)將是關(guān)鍵。

關(guān)于這項(xiàng)研究的更多信息可以在《Biofabrication》雜志上發(fā)表的題為：" Bio-3D printing iPSC-derived human chondrocytes for articularcartilage regeneration"的論文中找到。該研究的共同作者是A.Nakamura, D. Murata, R. Fujimoto, S. Tamaki, S. Nagata, M. Ikeya, J. Toguchida,和K. Nakayama。

相關(guān)論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/ac1c99