by beatrice awasthi.
Aparna Nathan的数字

每天,我们的关节在我们移动时成功地承担了巨额力量。例如,慢跑和磕磕绊绊地产生高达550%的人体重的力量。即使走路也会产生高达身体重量的480%的力量!

为了在没有疼痛的情况下成功承担这些大力,关节必须健康和完整。接头的恶化会引起显着的疼痛和极限流动性。关节疼痛最常见的原因之一是关节中软骨的退化。在骨关节炎,从而影响超过3亿世界各地的人们,关节随着软骨磨损而导致疼痛和随之而来的残疾。目前,考虑了骨关节炎inc;治疗通常包括控制症状和减缓疾病进展,最终以手术作为最后的手段。抢救和修复受损关节的理想方案是同时处理炎症和软骨损伤。"聪明的软骨"由华盛顿大学的科学家和圣路易斯大学,是一个有前途的解决方案,潜力可以完全做到这一点。

骨关节炎如何发展

关节是骨骼聚集在一起的身体的任何区域,例如肘部,膝盖,肩部和臀部。在健康的关节中,一种柔性连接组织,称为软骨涂覆骨骼的末端,因此接头可以通过最小的摩擦移动,并且骨骼免受机械应力的保护。软骨由称为软骨细胞的细胞组成,这些细胞被称为细胞外基质的分子和矿物质网络包围。该基质有助于保护软骨细胞并保持软骨完整性(图1)。

图1所示。关节图(左)。关节(右)的横截面描绘了包括软骨组分,包括软骨细胞和细胞外基质。

软骨细胞自然能够响应机械信号,因为它们具有响应力(机械师)开放的受体。当外力刺激这些机制时,软骨细胞内的内部信号触发a软骨建筑和维修过程在这个过程中,软骨细胞会释放特定的酶,降解现有的软骨以及新的基质成分,以补充和重建组织。

在骨关节炎中,软骨分解和修复之间的健康平衡被扰乱为信号在软骨细胞中刺激它们主要分解软骨组织(图2)。然后软骨细胞释放原因的信号在接头中,进一步破坏软骨。最终,骨骼本身被损坏了。关节部件的碎片有时会脱落并漂浮在关节周围,加剧炎症。在严重的情况下,破坏会发生骨与骨之间的接触(图2)。炎症和骨间缺乏缓冲会使人极度痛苦,并使关节难以移动。

图2.骨关节炎的发展。软骨碎片触发炎症信号的产生,炎性信号又刺激软骨细胞,以释放进一步破坏软骨的酶,产生更多软骨碎片。最终,关节中的软骨的总破坏导致疼痛的骨头接触

智能软骨作为骨关节炎的一种创新疗法

虽然剩余物理活性可以促进健康的组织维持和抗炎药可以有助于疼痛,但骨关节炎被认为是不可逆转的。抗炎药在骨关节炎中的有效性可能受到它们在足够剂量的骨关节中集中在骨关节的能力来对抗炎症信号传导。例如,白细胞介素-1受体拮抗剂(IL-1RA),作为生物药物Anakinra销售的抗炎蛋白,用于治疗类风湿性关节炎,但是无效在以常规剂量注入骨性关节时处理骨关节炎。植入能力适应关节环境的能力 - 被称为智能植入物 - 可以增加抗炎药的效果,并可能解决这个问题。

最近,圣路易斯华盛顿大学和杜克大学的科学家们——由第一作者Robert Nims和Lara pferdehirt领导——发表了他们的发明聪明的软骨,这是一项对骨关节炎治疗具有激动人心意义的进展。他们的智能软骨由猪的软骨细胞组成,经过设计,以剂量依赖的方式通过机械力和炎症信号产生IL-1Ra。智能软骨可以克服传统抗炎药物给药的剂量限制,通过使抗炎药物直接在炎症关节环境中对自然发生的机械刺激作出反应的可控释放。

为了制造这种智能软骨,科学家们利用了一种叫做TRPV4的离子通道。TRPV4感知机械应力引起的软骨环境的变化,然后发出信号增加参与软骨重塑和炎症信号的某些蛋白质的产生(图3,左)。在这里,科学家们用抗炎的IL-1Ra人为地取代了TRPV4的这些原始靶点。因此,当TRPV4感觉到软骨环境的变化,如机械刺激和炎症信号时,在培养皿中生长的工程软骨细胞产生抗炎IL-1Ra(图3,右)。当暴露于培养皿中的炎症信号时,正常软骨会恶化,而在机械刺激和暴露于相同炎症信号时,制造IL-1Ra的软骨细胞保护了软骨。

图3。智能软骨信号传导示意图。正常情况下,机械应力触发软骨细胞产生与软骨重塑和炎症信号有关的蛋白质,其中一些也会在炎症信号的响应下产生(左图)。在智能软骨中,软骨细胞被设计成产生抗炎IL-1Ra(右)。

智能软骨的意义

赋予软骨细胞能够在促炎环境中响应机械应力,对未来具有有趣的影响。工程这些细胞以响应损伤的触发来释放抗炎因素可以通过局部方式解决受骨关节炎影响的关节中的衰弱炎症,这可以提高抗炎药的有效性。未来的测试是在生物体中评估工程化软骨所必需的(体内),因为迄今为止与其进行的所有实验都在菜肴中(体外)。

此外,这项工作在未来对软骨植入物具有很多承诺。软骨移植该方法将从患者身上取出的软骨细胞在实验室中培养,然后再植入患者体内。由于软骨细胞能够修复损伤,同时保留患者的自然关节和关节的灵活性,因此是骨关节炎的理想手术治疗选择。植入物的成功有时是有限的,因为植入后的软骨细胞可能无法茁壮成长。智能软骨可以进一步设计,以更好地适应植入后的不同关节环境。这种工程软骨细胞的适应性可以提高软骨植入的成功率。更广泛地说,智能软骨的创造为其他“智能”组织系统的创新打开了大门,这些组织系统可以在分子水平上量身定制,以应对各种疾病。


Beatrice Awasthi是哈佛大学生物和生物医学科学项目的三年级博士生,她在那里研究结肠癌的信号。

Aparna Nathan是第四年的博士。生物信息学和综合基因组学的学生博士学位哈佛大学计划。你可以在Twitter上找到她作为@aparnanathan。

封面图片:“慢跑剪影”经过D26B73.获得许可cc by 2.0

更多信息:

  • 许多患有骨关节炎的患者可以使用痛苦使用非手术治疗。
  • 广泛的工作正在进行培养携带身体自身愈合过程以治疗骨关节炎的再生方法。
  • 智能生物材料的创造是一个创新的研究领域,有潜力用于治疗无数的疾病,但涉及重要的考虑因素
  • 几个不同的楷模目前用于研究骨关节炎。

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