PNAS：软骨再生获重大突破

　　

生物通报道：Duke大学的研究人员将基因治疗与合成支架结合起来，使整个系统在移植后仍能长期引导干细胞分化，生成新的软骨组织。这一技术突破将有望帮助人们在机体所需的任何部位生成替代性的软骨。文章于二月十七日发表在美国国家科学院院刊PNAS杂志上。

用干细胞进行组织修复通常需要大量的生长因子，这一过程的成本很高，而且在移植后难以继续。Duke大学的研究人员为了避开了这一限制，对干细胞进行了遗传学改造，让它们在移植后能自行生产所需的生长因子。他们将递送基因的病毒、干细胞与合成材料整合在一起，整个系统就像一台计算机，其中支架提供硬件，病毒提供软件，对干细胞进行编程使其生成软骨组织。

Duke大学医学中心的Farshid Guilak教授，一直致力于开发可生物降解的合成支架来模拟软骨性能。他面临的一大挑战是，如何在移植后继续诱导干细胞形成软骨。

“支架中放置的生长因子有限，一旦完全释放就会消失，”Guilak说。为此，他与基因治疗方面的专家——助理教授Charles Gersbach展开了合作。他们决定向干细胞引入新基因，使其生产自己所需的生长因子。

研究人员指出，传统方法需要先收集干细胞，利用病毒引入新基因，培养改造后的干细胞，再将它们填入合成支架，最后进行移植。这样的方案过于复杂，难以转化为商业化产品。

这项研究采用Gersbach的新技术——生物材料介导的基因递送，来诱导软骨支架上的干细胞进行生长因子生产。研究显示，这种材料与体外的生长因子诱导一样有效。

研究人员利用以慢病毒为基础的方法，构建了具有独立生物活性的支架，在体内持续诱导干细胞分化成为软骨组织。这一系统在体内成功诱导和维持了干细胞的原位分化，为构建具有生物活性的移植物开辟了新的途径。

“我们希望合成支架内外的新软骨生成率，能够跟上甚至超过支架的降解速度，”文章的第一作者Jonathan Brunger说。“这样整个支架就可以负担关节的重量。在理想情况下，体内新形成的软骨组织甚至可能替换掉合成材料。”

Guilak和Gersbach指出，虽然他们的研究主要针对软骨在生，但实际上这一技术还可用于其它多种组织，尤其是肌腱、韧带和骨骼。这样的即用型平台适用于任何干细胞，是研究成果迈向商业化的重要一步。

“我们方法的一大优势在于，避免了既昂贵又不稳定的生长因子递送，转而使用结合了病毒载体的合成支架，”Gersbach说。“这种负载病毒的支架可以进行大批量生产，我们希望这一技术能够进一步转化为商业产品。”

 

生物通编辑：叶予

生物通推荐原文摘要：

 Scaffold-mediated lentiviral transduction for functional tissue engineering of cartilage

The ability to develop tissue constructs with matrix composition and biomechanical properties that promote rapid tissue repair or regeneration remains an enduring challenge in musculoskeletal engineering. Current approaches require extensive cell manipulation ex vivo, using exogenous growth factors to drive tissue-specific differentiation, matrix accumulation, and mechanical properties, thus limiting their potential clinical utility. The ability to induce and maintain differentiation of stem cells in situ could bypass these steps and enhance the success of engineering approaches for tissue regeneration. The goal of this study was to generate a self-contained bioactive scaffold capable of mediating stem cell differentiation and formation of a cartilaginous extracellular matrix (ECM) using a lentivirus-based method. We first showed that poly-l-lysine could immobilize lentivirus to poly(ε-caprolactone) films and facilitate human mesenchymal stem cell (hMSC) transduction. We then demonstrated that scaffold-mediated gene delivery of transforming growth factor β3 (TGF-β3), using a 3D woven poly(ε-caprolactone) scaffold, induced robust cartilaginous ECM formation by hMSCs. Chondrogenesis induced by scaffold-mediated gene delivery was as effective as traditional differentiation protocols involving medium supplementation with TGF-β3, as assessed by gene expression, biochemical, and biomechanical analyses. Using lentiviral vectors immobilized on a biomechanically functional scaffold, we have developed a system to achieve sustained transgene expression and ECM formation by hMSCs. This method opens new avenues in the development of bioactive implants that circumvent the need for ex vivo tissue generation by enabling the long-term goal of in situ tissue engineering.