原始干細胞生成的骨移植物促進頑固骨折愈合

雖然大多數骨折都可以用牢固的石膏和大量細致的護理來修復，但更復雜的骨折需要骨移植之類的治療。德克薩斯農工大學的研究人員利用原始干細胞培育出了優良的骨移植物。他們發現，這些細胞可以幫助骨骼在修復部位再生所需的肥沃支架。

研究人員說，這些移植物可用于促進快速和精確的骨愈合，使患者最大限度地受益于外科干預。

"骨科植入物可能會出現一些問題，比如炎癥和疼痛。此外，它們可能會松動，需要進行翻修手術，而這種手術通常比原先植入的手術要復雜得多。因此，通過加速骨愈合過程，我們的材料可以潛在地減少這些修復手術的數量。"研究人員在6月份的《自然通訊》（Nature Communications）雜志上發表了他們的發現。

在美國，每年大約有60萬人經歷骨愈合延遲或不完全。對于其中一些病例，醫生會采取外科手術，將骨組織移植到修復部位。這些骨移植通常有兩種來源：一種是來自病人身體另一部位的自體骨移植，另一種是經過深度加工的人類尸體骨。

然而，這兩種骨移植都有各自的缺點。例如，自體骨移植需要額外的手術來提取骨組織，增加病人的恢復時間，有時還會帶來慢性疼痛。另一方面，從尸體骨中提取的移植物排除了兩次手術的需要，但這些移植物往往缺乏許多促進骨修復的生物分子。

"從尸體骨移植的一些物理性質骨頭，甚至有點生物本質，但就功能而言他們很貧乏。"德州農工大學健康科學中心的副教授、這項研究的共同作者Carl Gregory博士說道。"我們想要做的是設計一個骨移植，我們可以實驗性地加速恢復，可以說，使它更具有生物活性。"

以前的研究已經表明，干細胞，特別是一種稱為間充質干細胞的細胞，可以用于產生具有生物活性的骨移植。特別是，這些細胞會轉化為骨細胞，產生骨骼生長和存活所需的支架或細胞外基質。

然而，這些干細胞通常是從成人骨的骨髓中提取的，因此，它們的年齡較大。它們的年齡影響了細胞分裂和產生更多珍貴的細胞外基質的能力。

為了解決這個問題，研究人員轉向了間充質干細胞的細胞祖先--多能干細胞。與成體間充質細胞壽命相對較短不同，這些原始細胞可以持續增殖，從而創造出制造骨移植細胞外基質所需的間充質干細胞的無限供應。他們補充說，可以通過對捐贈的成年細胞進行基因重組來制造多能細胞。

當研究人員通過實驗誘導多能干細胞產生全新的間充質干細胞時，他們能夠產生一種細胞外基質，這種基質的生物活性遠遠高于從成骨中獲得的間充質細胞。

Gregory說："我們的材料不僅富含制造骨組織粗大部分所需的生物分子，還富含驅動血管形成的生長因子。"

為了測試支架材料作為骨移植的效果，他們小心地提取和純化了豐富的細胞外基質，然后將其植入骨缺損部位。在檢查了幾周的骨修復情況后，他們發現他們的多能干細胞衍生基質比最好的FDA批準的移植物刺激劑要有效5到6倍。

Gregory說："使用移植金標準的骨修復實驗，就像那些使用了名為骨形態發生蛋白-2的強力骨生長刺激劑，需要大約8周的時間，但我們在四周內就能完全愈合。因此，在這些條件下，我們的材料的功效遠遠超過了骨形態發生蛋白-2，這表明它是當前骨修復技術的巨大改進。"

研究人員還說，從臨床的角度來看，移植物可以與大量的工程植入物結合，比如3d打印的植入物或金屬螺釘，這樣這些部分就可以更好地與周圍的骨頭結合。他們還指出，骨移植物也將更容易生產，因此從生產的角度來說是有利的。

Gregory說："我們的材料非常有前途，因為多能干細胞可以理想地從一個供體中產生許多批次的細胞外基質，這將大大簡化大規模制造這些骨移植物。" 

參考資料：

Primitive stem cells point to new bone grafts for stubborn-to-heal fractures

Eoin P.McNeill et al，Characterization of a pluripotent stem cell-derived matrix with powerful osteoregenerative capabilities， Nature Communications (2020). DOI： 10.1038/s41467-020-16646-2