科學家用干細胞3D生物打印出關節(jié)軟骨假體，有望改善運動員關節(jié)疾病治療

2021年9月27日，南極熊獲悉，來自日本佐賀大學和京都大學中山實驗室的科學家們用干細胞制作出3D打印的軟骨結構，有望用于修復相關患者的大型軟骨缺陷。

研究人員使用人類誘導多能干細胞（iPSCs），利用無支架的Kenzan生物打印工藝創(chuàng)建了軟骨結構，其中生物墨水的唯一支撐結構是微針基質。

據報道，科學家們的這項技術克服了基于支架的組織工程方法在創(chuàng)建軟骨樣結構方面的局限性，如細胞相容性差和毒性，同時解決了傳統(tǒng)關節(jié)假體所具有的細菌感染問題和與替換手術相關的一些風險。

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

△3D打印過程的示意圖。圖片來自Biofabrication。

改善關節(jié)炎的治療

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

全世界有超過3億人患有骨關節(jié)炎，造成了巨大的臨床和經濟負擔。目前的手術治療，如微骨折和植入物，通常只關注病灶缺陷，不能產生持久的功能性軟骨。全關節(jié)置換也是晚期骨關節(jié)炎的唯一治療方法，植入物在長時間內缺乏耐久性，可能導致骨質縮短和其他并發(fā)癥。

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

iPSCs是一種替代性的細胞來源，在克服這些限制方面顯示出了希望，因為它們的自我更新潛力可以提供幾乎無限數量的具有多能性的細胞，它能夠分化成許多不同的細胞類型。因此，iPSCs被選為科學家們建立軟骨結構的基礎。

△生物3D打印機的設計數據和打印18天后從Kenzan上取下的L型結構的圖像。圖片來自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在很大程度上可以分為基于支架的方法和無支架的方法，過去3D打印也已經被利用于該領域的多個研究項目。

例如，來自查爾姆斯理工大學的科學家們之前已經展示了利用3D生物打印技術治療骨關節(jié)炎的軟骨組織工程，中央昆士蘭大學的微生物學家探索了鱷魚蛋白和3D生物打印技術相結合的方法來修復關節(jié)損傷的可行性。在其他地方，賓夕法尼亞州立大學的研究人員開發(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件，使營養(yǎng)物質和氧氣擴散。

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

目前在該領域取得進展，并引人矚目的舉措是歐盟支持的TRIANKLE項目，該項目正在致力于開發(fā)3D生物打印的細胞修復腳踝植入物。去年，該項目得到了西班牙巴塞羅那足球俱樂部研發(fā)實驗室的支持，俱樂部已同意在其業(yè)余球隊中測試基于膠原蛋白的細胞移植，以期最終為未來的商業(yè)發(fā)行做好準備。

△生物3D打印機的設計數據和管狀軟骨構造的圖像。圖片來自Biofabrication。

用iPSCs 3D打印軟骨支架

日本科學家目前研究目的是利用3D生物打印機來設計一個解剖學大小和形狀的無支架軟骨結構，該研究使用了Cyfuse生物醫(yī)學公司的Regenova Bio-3D打印機。Regenova是一種新型機器人系統(tǒng)，通過將細胞球狀體置于細針陣列中，即Kenzan方法，根據預先設計的三維數據，完成三維細胞結構的制造。

Regenova打印機采用了由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MSC誘導向軟骨細胞（軟骨形成的代謝活性細胞）分化，形成高度軟骨原性和有效的iNCMSCs。然后對iNCMSCs進行了生物打印過程的優(yōu)化，再確定最短成熟期。上面列出的各種類型的Kenzan被用來制作更大的軟骨構造，這些軟骨構造是專門為不規(guī)則缺陷而設計的。

第一個構建體證實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，該結構能夠保持所應用的設計，并能承受機械操作，盡管其總面積僅有為2cm2。

憑借7毫米的圓形Kenzan陣列組合，科學家們能夠將構建物的尺寸增加到6厘米見方的半管狀結構，這可以用來治療一個寬闊的彎曲區(qū)域，如髕骨表面。

△生物3D打印機的設計數據和關節(jié)面形狀構造的圖像。圖片來自Biofabrication。

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

科學家們基于細胞的關節(jié)假體的耐久性將在未來的研究中繼續(xù)評估，并希望它能解決傳統(tǒng)關節(jié)假體所具有的細菌感染問題和與置換手術有關的一些風險。

然而，他們也指出，雖然使用iPSC衍生的細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，在進行更加耗費時間和金錢的體外研究之前，對該技術的進一步優(yōu)化和改進將是關鍵。

關于這項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。

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