欧阳宏伟教授课题组开发“活性接骨胶”:让关节软骨块拼接裂隙“一抹了无痕”

       自体骨软骨移植镶嵌成形术(马赛克移植术,AOT)是临床治疗骨软骨缺损最常用的外科技术之一,该技术是指将多个小圆柱形自体骨软骨块从较少负重的部位移植到缺损部位。然而,临床上骨软骨移植块间存在裂隙不愈合的问题,尤其是软骨裂隙,可持续不愈合,导致孤立的骨软骨块耐磨性能降低,长期效果差(图1)。因此,进一步改进移植块裂隙的整合是亟需解决的临床问题。

      最近,粘附性水凝胶已成为组织修复、伤口敷料和止血的有力工具。但是,单纯的水凝胶材料还缺少促进组织再生的活性因子,如成纤维细胞生长因子(FGF)、胰岛素生长因子1(IGF-1)等,无法快速促进组织再生。由此,浙江大学欧阳宏伟团队开发了一种可即取即用的生物活性接骨胶,能让马赛克移植术后的骨软骨块拼接缝隙“一抹了无痕”。此研究于2022年4月在学术期刊Bioactive Materials(IF 14.593)上发表,题为“Seamless and Early Gap Healing of Osteochondral Defects by Autologous Mosaicplasty Combined with Bioactive Supramolecular Nanofiber-Enabled Gelatin Methacryloyl (BSN-GelMA) Hydrogel”。

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图1 马赛克移植术后软骨裂隙不愈合:马赛克移植术(A),术后MRI检查(B),天狼星红染色(C-D)显示骨软骨块之间存在的裂隙(箭头所示,Laszlo Hangody, JBJS, 2006)


      这种活性接骨胶含有一种人工合成的类似胰岛素生长因子(IGF-1)功能的活性成分,该成分能模拟IGF-1促进自体骨髓间充质干细胞的迁移和存活,从而防止骨软骨块移植物的坏死和硬化,促进移植软骨块的整合(图2)。研究者将这种可以光固化的水凝胶应用在新西兰兔膝关节骨软骨缺损模型上,结果显示活性接骨胶(BSN-GelMA)样本的ICRS(国际软骨修复学会)评分和微型CT评分均高于单纯水凝胶组和空白对照组(图3,图4)。

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图2 活性水凝胶促进骨髓间充质干细胞迁移和抑制细胞凋亡

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图3 活性接骨胶修复兔膝关节骨软骨缺损移植块裂隙示意图(A),大体观察图(B-C),和ICRS(国际软骨修复学会)评分(D)

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图4 各组6周和12周样本的微型CT分析


     进一步的组织学分析结果发现,活性接骨胶(BSN-GelMA)在6周的时候就基本实现了移植块裂隙的无缝愈合(图5 Aiii和Ciii)。在12周,活性接骨胶组的移植块缝隙已与邻近正常组织浑然一体,软骨粘多糖含量也与正常软骨无明显差异(图5 Diii和G)。空白组的裂隙则呈现了不可愈合的趋势(图5 Bi 和Di)。Masson三色染色结果则显示了活性接骨胶组的关节呈现了成熟骨小梁结构的下骨层,证实了该接骨胶在促进软骨下骨再生方面的优势(图6)。

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图5 骨软骨块移植物的组织学分析。A和B:H&E染色。C和D:番红快绿染色。E-H:各组组织学评分,裂隙粘多糖(GAG)含量和骨含量对比

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图6 各组样本Masson三色分析


     最后,研究者通过免疫荧光染色证实了在活性接骨胶组里面,无论是移植物还是缝隙处的胶原2(正常软骨胶原类型)的含量均是各组最高(图7)。

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图7 骨软骨块移植物在移植物表面和缝线处软骨胶原2蛋白的免疫荧光染色和各组表达水平对比

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图8 本研究概要示意图。传统骨软骨缺损进行马赛克移植术的过程,以及该手术常见的并发症:骨硬化,坏死和纤维化(A-B-C)。生物活性接骨胶粘合骨软骨块缝隙后,可通过促进体内干细胞迁移和增强移植块活性实现移植骨块的早期无缝愈合(D-E-F)


     综上,本课题组采用一种全合成的生物活性接骨胶,针对临床上困扰已久的马赛克移植术的软骨裂隙整合问题,提出了一个简便有效的解决方案(图8)。因为均是人工合成的生物材料,具有成本低,易保存的优点,所以是一种有望临床转化的策略

      本文共同第一作者为浙江大学爱丁堡大学联合学院(ZJE)博士后吴宏伟,天津师范大学商宇娜博士,ZJE硕士研究生孙伟共同通讯作者为浙江大学欧阳宏伟教授和南开大学杨志谋教授。该研究得到了国家重点研发计划(2016YFB0700804)、国家自然科学基金(NO. T2121004, 31830029)的资助。

全文地址:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22001542