科学家用干细胞3D生物打印出关节软骨假体,有望改善运动员关节疾病治疗

3D打印科研前沿
2021
09/27
22:28
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2021年9月27日,南极熊获悉,来自日本佐贺大学和京都大学中山实验室的科学家们用干细胞制作出3D打印的软骨结构,有望用于修复相关患者的大型软骨缺陷。

研究人员使用人类诱导多能干细胞(iPSCs),利用无支架的Kenzan生物打印工艺创建了软骨结构,其中生物墨水的唯一支撑结构是微针基质。

据报道,科学家们的这项技术克服了基于支架的组织工程方法在创建软骨样结构方面的局限性,如细胞相容性差和毒性,同时解决了传统关节假体所具有的细菌感染问题和与替换手术相关的一些风险。

这项研究的目的是为了治疗运动员的关节炎等疾病,这些运动员不愿意接受金属和塑料制成的人工关节的治疗。

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△3D打印过程的示意图。图片来自Biofabrication。

改善关节炎的治疗

关节软骨是一种承重的结缔组织,覆盖在骨头的末端,以防止摩擦和保护关节。软骨的损坏可因疾病、创伤和退行性病症而发生,如骨关节炎,这是导致关节疼痛和不能活动的主要原因之一。

全世界有超过3亿人患有骨关节炎,造成了巨大的临床和经济负担。目前的手术治疗,如微骨折和植入物,通常只关注病灶缺陷,不能产生持久的功能性软骨。全关节置换也是晚期骨关节炎的唯一治疗方法,植入物在长时间内缺乏耐久性,可能导致骨质缩短和其他并发症。

组织工程是全关节置换的替代方案,用于软骨修复和关节保护,然而,该方法受到缺乏功能性细胞类型和生物材料的限制。软骨细胞和间充质干细胞(MSCs)目前被认为是最有希望的再生治疗细胞来源,尽管它们会受到供体年龄、密度、活性、细胞表型和其他因素的阻碍。

iPSCs是一种替代性的细胞来源,在克服这些限制方面显示出了希望,因为它们的自我更新潜力可以提供几乎无限数量的具有多能性的细胞,它能够分化成许多不同的细胞类型。因此,iPSCs被选为科学家们建立软骨结构的基础。

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生物3D打印机的设计数据和打印18天后从Kenzan上取下的L型结构的图像。图片来自Biofabrication

3D打印软骨的发展

目前用于软骨再生的组织工程技术在很大程度上可以分为基于支架的方法和无支架的方法,过去3D打印也已经被利用于该领域的多个研究项目。

例如,来自查尔姆斯理工大学的科学家们之前已经展示了利用3D生物打印技术治疗骨关节炎的软骨组织工程,中央昆士兰大学的微生物学家探索了鳄鱼蛋白和3D生物打印技术相结合的方法来修复关节损伤的可行性。在其他地方,宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种新颖的3D打印方法,以创建具有微孔的软骨组织构件,使营养物质和氧气扩散。

最近,阿尔伯塔大学的研究人员开发了一种3D生物打印方法,为术后面部毁容的癌症患者定制鼻腔软骨,斯旺西大学与无疤痕基金会合作,正在为无疤痕耳鼻移植3D打印软骨组织支架。

目前在该领域取得进展,并引人瞩目的举措是欧盟支持的TRIANKLE项目,该项目正在致力于开发3D生物打印的细胞修复脚踝植入物。去年,该项目得到了西班牙巴塞罗那足球俱乐部研发实验室的支持,俱乐部已同意在其业余球队中测试基于胶原蛋白的细胞移植,以期最终为未来的商业发行做好准备。

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生物3D打印机的设计数据和管状软骨构造的图像。图片来自Biofabrication。

用iPSCs 3D打印软骨支架

日本科学家目前研究目的是利用3D生物打印机来设计一个解剖学大小和形状的无支架软骨结构,该研究使用了Cyfuse生物医学公司的Regenova Bio-3D打印机。Regenova是一种新型机器人系统,通过将细胞球状体置于细针阵列中,即Kenzan方法,根据预先设计的三维数据,完成三维细胞结构的制造。

Regenova打印机采用了由81根针组成的9×9方形Kenzan阵列,由676根针组成的26×26方形Kenzan阵列,以及由36根针组成的直径为7毫米的圆形Kenzan阵列,以便3D打印各种尺寸的软骨原件。

首先,iPSCs通过MSC诱导向软骨细胞(软骨形成的代谢活性细胞)分化,形成高度软骨原性和有效的iNCMSCs。然后对iNCMSCs进行了生物打印过程的优化,再确定最短成熟期。上面列出的各种类型的Kenzan被用来制作更大的软骨构造,这些软骨构造是专门为不规则缺陷而设计的。

第一个构建体证实了该方法维持形状的潜力,被打印成90度角的L形。从Kenzan上取下后,该结构能够保持所应用的设计,并能承受机械操作,尽管其总面积仅有为2cm2。

凭借7毫米的圆形Kenzan阵列组合,科学家们能够将构建物的尺寸增加到6厘米见方的半管状结构,这可以用来治疗一个宽阔的弯曲区域,如髌骨表面。

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生物3D打印机的设计数据和关节面形状构造的图像。图片来自Biofabrication。

通过他们的方法,科学家们能够成功地3D打印出尺寸和形状合适的无支架、可自我维持的软骨构造,用于修复较大的软骨缺陷。研究人员还发现,这些构建物的强度几乎与正常软骨相同。

科学家们基于细胞的关节假体的耐久性将在未来的研究中继续评估,并希望它能解决传统关节假体所具有的细菌感染问题和与置换手术有关的一些风险。

然而,他们也指出,虽然使用iPSC衍生的细胞作为源材料有很多好处,但它仍然非常昂贵。因此,他们表示,在进行更加耗费时间和金钱的体外研究之前,对该技术的进一步优化和改进将是关键。

关于这项研究的更多信息可以在《Biofabrication》杂志上发表的题为:" Bio-3D printing iPSC-derived human chondrocytes for articularcartilage regeneration"的论文中找到。该研究的共同作者是A.Nakamura, D. Murata, R. Fujimoto, S. Tamaki, S. Nagata, M. Ikeya, J. Toguchida,和K. Nakayama。

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