PNAS：涂有骨生長因子的新型可植入工程骨

　　目前，麻省理工學院（MIT）的化學工程師們，設計了一種新型植入式組織支架，支架上涂有骨生長因子，可在幾周時間內慢慢地被釋放。當應用于骨損傷或缺陷時，這種涂層支架可誘導機體迅速形成外觀和行為接近于原始組織的新骨。

　　與當前骨損傷的治療標準相比，這種類型的涂層支架可提供顯著的改善效果，當前的骨損傷治療包括來自患者身體另一部分的移植骨——這是一個痛苦的過程，并不總是提供足夠的骨。嚴重骨損傷的患者，例如戰爭中受傷的士兵、患有先天性骨缺損的人（如顱頜面疾病）、在種植牙插入前需要骨質增大的患者，都能從這種新的組織支架受益。

　　相關研究結果發表在本周的《PNAS》雜志，本文第一作者Nisarg Shah博士稱：“這是一個真正具有挑戰性的醫學問題，我們試圖提供一種方法來解決這個問題。”

　　本文的資深作者是MIT Koch綜合癌癥研究所成員和化學工程系教授Paula Hammond。其他作者包括：博士后M. Nasim Hyder和Mohiuddin Quadir，Restituo的博士研究生Noémie-Manuelle Dorval Courchesne和Howard Seeherman，哈佛大學口腔醫學院的Myron Nevins和布萊根婦女醫院的Myron Spector。

　　刺激骨生長

　　最重要的兩種骨生長因子是：血小板源生長因子（PDGF）和骨形成蛋白2（BMP-2）。作為自然傷口愈合反應的一部分，PDGF是骨損傷（例如骨折）后第一個立即釋放的因子。在PDGF出現后，其他因子，包括BMP-2，通過招募產骨細胞并形成一種支撐結構（包括血管），幫助形成骨再生所需的合適環境。

　　因為無法以一種受控的方式有效傳遞這些生長因子，因此用它們治療骨損傷的研究已經受到阻礙。當非常大數量的生長因子傳遞太快時，它們就被從治療部位迅速清除，因此它們對組織修復的影響減小，也可能引起有害的副作用。

　　Hammond稱：“你想要生長因子緩慢的釋放，以納克或微克的量，而不是毫克的量。你想將我們骨髓中已經存在的這些原態成人干細胞，招募到達損傷部位，然后在支架周圍產生骨骼。”

　　這個過程需要時間，所以，理想的生長因子需要在數天或數周時間內，被緩慢地釋放。為了實現這一目標，MIT研究小組制備了一種非常薄的多孔支架板，涂有PDGF和BMP層。利用一種稱為疊層裝配（layer-by-layer assembly）的技術，他們首先用約40層BMP-2涂抹薄板；然后是另外40層的PDGF。這使得PDGF能夠更快地釋放，連同更持續的BMP-2 釋放，模擬自然愈合的方面。

　　密歇根大學化學工程教授Nicholas Kotov并不是研究小組成員，他指出：“這是骨組織工程的一大優勢，因為這些信號蛋白的釋放是緩慢的，它必須是被預定的。”

　　支架薄板大約0.1毫米厚；一旦應用生長因子涂層，支架就可以按要求從板上切下來，以適當的尺寸大小，植入骨損傷或缺陷。

　　有效的修復

　　研究人員在顱骨缺損足夠大——直徑8毫米——的大鼠中測試了這種支架，這種缺陷不能自我愈合。在支架植入后，生長因子以不同的速率釋放。PDGF，在植入后頭幾天內釋放，有助于啟動傷口愈合反應，并調動不同的前體細胞到達傷口部位。這些細胞負責形成新的組織，包括血管、支持血管結構和骨骼。

　　BMP，釋放的更緩慢，并誘導一些未成熟細胞變成成骨細胞（可產生骨）。研究人員稱，當這兩種生長因子一起使用時，在手術后兩周這些細胞就產生一層骨組織，在外觀和機械性上與天然骨別無二致。

　　Hammond說：“用這種組合，不僅可讓我們能夠加速增殖，而且也有利于構建一些維管組織，可為干細胞和前體成骨細胞以及其他細胞發揮作用，提供一個途徑。你最終獲得了一個非常均勻的痊愈系統。”

　　這種方法的另一個好處是，支架是可生物降解的，能在幾周內體內分解。支架材料，一種稱為PLGA的聚合物，被廣泛應用于醫療，并可調整為在特定的速度分解，因此研究人員可以將其設計成持續我們所需的時間范圍。

　　基于這項研究工作，Hammond的研究小組已經申請了ZL，目前他們計劃首先在更大的動物中測試這個系統，有望最終將其轉化為臨床試驗。