2021年11月，西北大学的研究人员推出了一种可注射的新疗法，它利用快速移动的“跳舞分子”来修复组织，并在严重脊髓损伤后逆转瘫痪。
现在，同一个研究小组已经将这种治疗策略应用于受损的人体软骨细胞。在这项新研究中，这种疗法激活了在短短四小时内再生软骨所需的基因表达。仅仅三天后，人类细胞就产生了软骨再生所需的蛋白质成分。
研究人员还发现，随着分子运动的增加，治疗的效果也会增加。换句话说，分子的“舞蹈”运动对于触发软骨生长过程至关重要。
这项研究发表在2024年7月26日的《美国化学学会杂志》上。
作为再生纳米医学方面的专家，Stupp是西北大学材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程的董事会教授，在那里他是辛普森奎雷生物纳米技术研究所及其附属中心再生纳米医学中心的创始主任。斯塔普在麦考密克工程学院、温伯格艺术与科学学院和范伯格医学院任职。斯图普实验室的研究生谢尔比·袁(Shelby Yuan)是这项研究的主要作者。
问题大，解决办法少
根据世界卫生组织的数据，截至2019年，全球近5.3亿人患有骨关节炎。骨关节炎是一种退化性疾病，其中关节组织随着时间的推移而分解，是一种常见的健康问题，也是导致残疾的主要原因。
在患有严重骨关节炎的患者中，软骨会磨损得很薄，以至于关节基本上变成了骨头上的骨头。中间没有缓冲。这不仅令人难以置信的痛苦，患者的关节也不能再正常运作。在这一点上，唯一有效的治疗方法是关节置换手术，这是昂贵的和侵入性的。
“目前的治疗旨在减缓疾病进展或推迟不可避免的关节置换，”Stupp说。“没有再生的选择，因为人类在成年后没有再生软骨的内在能力。”
什么是“跳舞分子”?
斯塔普和他的团队推测，“跳舞的分子”可能会促进顽固组织的再生。舞蹈分子是由斯塔普的实验室发明的，它是由数万到数十万个分子组成的合成纳米纤维的集合，这些分子向细胞发出强有力的信号。通过调整它们的化学结构的集体运动，Stupp发现运动的分子可以迅速找到并适当地与细胞受体接触，细胞受体也在不断运动，并且在细胞膜上非常拥挤。
一旦进入体内，纳米纤维就会模仿周围组织的细胞外基质。通过匹配基质的结构，模仿生物分子的运动，并为受体加入生物活性信号，合成材料能够与细胞交流。
“细胞受体不断移动，”斯图普说。“通过让我们的分子移动、‘跳舞’，甚至暂时跳出这些被称为超分子聚合物的结构，它们能够更有效地与受体连接。”
运动很重要
在这项新研究中，斯塔普和他的团队研究了一种对软骨形成和维持至关重要的特定蛋白质的受体。为了靶向这种受体，研究小组开发了一种新的圆形肽，模仿蛋白质的生物活性信号，称为转化生长因子β -1 (TGFb-1)。
然后，研究人员将这种肽结合到两种不同的分子中，这两种分子在水中相互作用形成超分子聚合物，每种分子都具有相同的模仿TGFb-1的能力。研究人员设计了一种具有特殊结构的超分子聚合物，使其分子能够在大型组件中更自由地移动。而另一种超分子聚合物则限制了分子的运动。
“我们想修改结构，以便比较两个运动程度不同的系统，”Stupp说。“其中一个的超分子运动强度比另一个大得多。”
尽管这两种聚合物都模仿信号来激活TGFb-1受体，但具有快速移动分子的聚合物更有效。在某些方面，它们甚至比自然界中激活TGFb-1受体的蛋白质更有效。
“三天后，人类细胞暴露在更多可移动分子的长组合中，产生了更多的软骨再生所需的蛋白质成分，”斯图普说。“对于软骨基质中一种被称为胶原蛋白II的成分的产生，含有激活tgf - β 1受体的环状肽的跳舞分子甚至比在生物系统中具有这种功能的天然蛋白质更有效。”
接下来是什么?
Stupp的团队目前正在动物实验中测试这些系统，并添加额外的信号来创造高度生物活性的疗法。
“随着人类软骨细胞研究的成功，我们预测软骨再生将在高度转化的临床前模型中得到极大的增强，”Stupp说。“它应该发展成为一种用于关节软骨组织再生的新型生物活性材料。”
斯塔普的实验室也在测试跳舞分子再生骨骼的能力。并且已经有了很有希望的初步结果，可能会在今年晚些时候公布。同时，他正在测试人体类器官中的分子，以加速发现和优化治疗材料的过程。
斯塔普的团队还在继续向美国食品和药物管理局(Food and Drug Administration)提出申请，希望获得批准，进行临床试验，测试脊髓修复疗法。
斯图普说:“我们开始看到‘跳舞分子’这一基本发现所能应用的范围之广。”“通过化学设计来控制超分子运动似乎是提高一系列再生疗法疗效的有力工具。”
这项名为“超分子运动使转化生长因子-β1的环状肽模拟物具有成软骨生物活性”的研究得到了迈克和玛丽·苏·香农(Mike和Mary Sue Shannon)捐赠给西北大学的资助，用于辛普森奎雷生物纳米技术研究所再生纳米医学中心的肌肉骨骼再生研究。
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