半月板是我們膝關(guān)節(jié)里面的一小塊軟骨，雖然很多人都沒聽說過，但它在腿部的正常功能中起重要作用。不幸的是，半月板受傷十分常見，而且常可導(dǎo)致關(guān)節(jié)炎并引起劇烈疼痛。
幸運(yùn)的是，美國哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的研究人員設(shè)計(jì)了一種方法，使用個(gè)性化定制的3D打印植入物，該植入物中注入了刺激干細(xì)胞的蛋白質(zhì)，以替代受損的半月板，促使人體在膝關(guān)節(jié)處再生出一個(gè)全新的、功能性襯里。
目前，這一治療方案已經(jīng)在羊身上獲得了成功，羊的膝蓋結(jié)構(gòu)與人類似。而且該技術(shù)可以為受損半月板提供有效而持久的修復(fù)。預(yù)計(jì)這一技術(shù)將惠及全世界數(shù)以百萬計(jì)的患者。
研究人員對于羊的臨床實(shí)驗(yàn)過程是這樣的：研究團(tuán)隊(duì)在Jeremy Mao的帶領(lǐng)下對于羊的完好膝蓋中的正常半月板進(jìn)行MRI掃描；掃描結(jié)果隨后被轉(zhuǎn)換成3D模型并將其發(fā)送到3D打印機(jī)中，由其根據(jù)原始半月板的精確形狀和尺寸打印出植入物或支架。3D打印機(jī)的精度高達(dá)10微米，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超手工的分辨率。該支架或植入物使用可生物降解的聚己內(nèi)酯（PCL）材料，打印過程需要大約30分鐘。PCL也常常被用作外殼縫合線的原料。
從左到右：羊半月板、激光掃描獲得的半月板3D模型和3D打印的半月板支架
Mao博士解釋說，該支架需依次進(jìn)行兩次人類蛋白質(zhì)注入。結(jié)締組織生長因子（CTGF）和轉(zhuǎn)化生長因子β3（TGFβ3）的蛋白質(zhì)能夠刺激人體內(nèi)部的干細(xì)胞，促使他們重新生成半月板組織。
至關(guān)重要的是，兩次蛋白質(zhì)注入一定要按順序釋放到支架的特定區(qū)域。為了做到這一點(diǎn)，研究人員將蛋白質(zhì)封裝在兩種類型的緩溶聚合物微球中。首先釋放是CTGF，它可以刺激外部半月板的生成，然后是TGFβ3刺激內(nèi)部半月板。經(jīng)過充分生長后，上述支架和蛋白質(zhì)被插入受損的膝蓋中。
常規(guī)的組織工程方法是，從身體中提取干細(xì)胞，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行培養(yǎng)生長，然后再將其置入患者體內(nèi)。而本文研究團(tuán)隊(duì)的方法則大不相同，Mao博士稱，他們“使用促進(jìn)內(nèi)源性干細(xì)胞組織再生因子在人體內(nèi)啟動了這一過程。”
研究團(tuán)隊(duì)對11只綿羊進(jìn)行了試驗(yàn)，其中一只隨機(jī)選擇的綿羊接受了蛋白質(zhì)注入的3D支架，而其余的則接受沒有蛋白質(zhì)的3D支架。據(jù)了解，平均到六周之后，接收到的蛋白質(zhì)輸注治療的綿羊已經(jīng)能夠像正常綿羊一樣經(jīng)受負(fù)重和運(yùn)動。而且由于聚己內(nèi)酯的特性，支架最終溶解和被排出體外，不留痕跡。事后檢查發(fā)現(xiàn)，再生的半月板在結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能上與自然半月板非常相似。
右：有蛋白質(zhì)刺激的再生羊半月板。 左：無蛋白質(zhì)的再生半月板。
這一治療方案的成功對于醫(yī)患雙方都是好消息。“目前，幾乎沒有骨科醫(yī)生能做到再生撕裂的膝蓋半月板。”Mao博士說。“一些小的撕裂可縫回原處，但更大的撕裂必須手術(shù)切除。” 切除可以幫助減少疼痛和腫脹，但它使膝蓋失去了一個(gè)天然的減震器，并增加關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險(xiǎn)。
用人體其它部分組織培養(yǎng)出來的半月板進(jìn)行移植也是一種選擇，但是這種辦法成功率低而且風(fēng)險(xiǎn)很大。Mao博士的3D打印方式似乎是一個(gè)比較明確的解決方案。
“我們認(rèn)為，個(gè)性化的半月板支架，從最初的MRI掃描到3D打印，可以在幾天內(nèi)完成。”Maori博士說。個(gè)性化的支架可以在一周之內(nèi)運(yùn)到醫(yī)院，減少了手術(shù)和恢復(fù)的總體時(shí)間。 研究人員希望一旦資金到位，立刻開展臨床試驗(yàn)。
“這項(xiàng)研究雖然是初步的，但是展示了一種使用創(chuàng)新方法實(shí)現(xiàn)半月板再生的潛力。”這項(xiàng)研究的共同作者Scott Rodeo博士說，他是紐約市特種外科醫(yī)院的運(yùn)動醫(yī)學(xué)整形外科醫(yī)生兼研究人員。研究論文于12月10日發(fā)表在《Science Translational Medicine》網(wǎng)絡(luò)版上。除了Mao博士和 Rodeo醫(yī)生，康納爾大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院大型動物外科的Lisa Ann Fortier教授也部分參與了這項(xiàng)研究。
資助這項(xiàng)研究的是美國國立衛(wèi)生研究院、北美關(guān)節(jié)鏡學(xué)會、美國骨科運(yùn)動醫(yī)學(xué)學(xué)會和Harry M. Zweig基金會。
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