研究人员开发了一种新疗法，利用合成纳米纤维来复制一种在软骨形成和维持中起关键作用的蛋白质的自然信号。通过增强这些纳米纤维内部分子的运动，他们发现产生了更多的再生构建成分。值得注意的是，这种治疗能够在短短四小时内启动软骨生产所需的基因表达。这种新方法有可能针对骨关节炎，这是一种当前影响全球约5.3亿人的疾病。
2021年11月，来自西北大学的研究人员揭示了一种创新的可注射疗法，利用快速移动的“舞动分子”来修复组织，并可能逆转由严重脊髓损伤引起的瘫痪。
这个研究团队现在已经将这种策略调整到针对受损的人软骨细胞。他们的最新研究表明，该治疗可以在短短四小时内激活对软骨再生至关重要的基因表达。此外，仅仅三天后，人类细胞开始产生修复软骨所需的蛋白质。
团队还观察到，随着分子运动的增加，治疗的有效性也随之提高。实质上，分子的“舞动”运动对刺激软骨生长过程至关重要。
这些发现今天（7月26日）发表在美国化学学会杂志上。
西北大学的首席研究员塞缪尔·I·斯图普表示：“最初，当我们注意到舞动分子的治疗效果时，我们没有看到为什么它不能应用于脊髓损伤之外。” “现在，我们在两种完全不同的细胞类型中看到了这些效果——我们关节中的软骨细胞和我们大脑和脊髓中的神经元。这增强了我的信念，我们可能发现了一种适用于各种组织的普遍现象。”
作为再生纳米医学的专家，斯图普是西北大学多个学科的理事会教授，他还负责辛普森奎瑞生物纳米技术研究所和再生纳米医学中心。斯图普实验室的研究生谢尔比·袁是这项研究的主要作者。
一个重大挑战，解决方案有限
世界卫生组织报告称，截至2019年，全球有近5.3亿人 suffering from osteoarthritis。这种退行性疾病逐渐恶化关节组织，使其成为常见的严重残疾来源。
在晚期骨关节炎病例中，软骨可能恶化到关节相互摩擦的地步，导致剧烈的疼痛和功能丧失。在这个阶段，最可行的解决方案通常是侵入性且昂贵的关节置换手术。
斯图普解释说：“目前的治疗集中在减缓疾病进展或推迟不可避免的关节置换需求。” “再生选项缺乏，因为成年人不会自然再生软骨。”
‘舞动分子’到底是什么？
斯图普和他的同事理论认为，“舞动分子”可以刺激软骨再生。这些分子是在斯图普的实验室中设计的合成纳米纤维组合，包含数千个能够向细胞发送强信号的分子。通过改变其化学结构来调整它们的运动，斯图普发现这些动态分子可以快速定位并有效与细胞受体相互作用，而这些细胞受体也在细胞膜上高度移动且密集分布。
一旦进入体内，纳米纤维模仿包围组织的细胞外基质。它们匹配基质的结构，模拟生物分子的运动，并携带生物活性信号与细胞有效沟通。
斯图普指出：“细胞受体始终处于运动中。” “通过使我们的分子参与运动，甚至暂时跳跃出它们的超分子聚合物结构，它们可以更有效地与受体连接。”
运动的重要性
在他们最新的研究中，斯图普团队针对一种对软骨形成和维持至关重要的特定受体。为此，他们创建了一种新型环状肽，该肽模仿被称为转化生长因子β-1（TGFb-1）的蛋白质的生物活性信号。
研究人员将该肽整合到两种不同的分子中，这些分子在水中形成超分子聚合物，每种分子均设计为模拟TGFb-1。一个聚合物的结构允许分子具有更大的运动性，而另一个则限制运动。
斯图普解释说：“我们试图修改结构，以比较两种运动范围不同的系统。” “一个聚合物的超分子运动显著强于另一个。”
尽管这两种聚合物都模仿了激活TGFb-1受体所需的信号，但快速移动的分子聚合物却证明更有效，实际上在某些时刻甚至超越了天然蛋白质的效能。
斯图普提到：“三天后，接受积极移动分子组合治疗的人类细胞产生了更高数量的软骨再生所需蛋白质。” “特别是，那个包含激活TGF-beta1受体的环状肽的组合比负责此任务的天然蛋白质在生物系统中的有效性更强。”
未来会怎样？
斯图普的团队目前正在动物模型中实验这些系统，并加入额外的信号以开发高度生物活性的疗法。
斯图普表示：“在我们对人类软骨细胞的成功案例中，我们预计在高级临床前模型中使用时，会增强软骨再生。” “这有可能发展成一种新型生物兼容材料，用于关节中的软骨组织再生。”
此外，斯图普的实验室正在测试舞动分子在骨再生中的有效性，并已获得了有希望的初步结果，预计将在今年晚些时候发表。同时，他们还在探索使用这些分子在人类类器官中加速治疗材料的发现和优化。
斯图普的团队还在为食品和药物管理局准备申请，寻求批准以启动使用该疗法进行脊髓修复的临床试验。
斯图普总结道：“我们开始认识到‘舞动分子’的基础发现可能解决的各种条件。” “通过化学设计操纵超分子运动似乎提供了一种增强各种再生疗法有效性的强大方法。”
