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印度研究人員開發了3D生物列印軟骨材料

世界各地數百萬人患有如關節炎等地退化性關節疾病。儘管在嘗試了30年,世界各地的科學家仍無法在實驗室中生產出在功能上和結構上類似人類膝蓋軟骨及具有承載力的似軟骨組織(cartilage-like tissues)。印度研究人員第一次能夠在發展軟骨中獲得成功的方法,而這些軟骨與人類膝蓋分子相似。

當嘗試在組織工程(tissue engineer)軟骨的科學家已經集中在多孔支架的生長細胞時,在典範移轉中,由印度理工學院(Indian Institute of Technology , IIT)德里分校紡織技術系的Sourabh Ghosh教授所領導的團隊,已經在3D生物列印的軟骨材料上成功使用生物墨水(bioink),生物墨水具有高濃度的骨隨,這些骨髓源自於軟骨幹細胞、絲蛋白質及其他成分。生物墨水的化學成分支持細胞成長及細胞長期的存活。在實驗室開發的軟骨可以維持長達六周的生理上穩定。這項研究結果發表在生物印跡(Bioprinting)期刊上。

來自印度理工學院德里分校紡織技術系及本研究第一位作者(first author)施卡‧恰拉(Shikha Chawla)表示,這是印度第一個在實驗室中發展的三維生物印跡組織的研究。

本研究通訊作者(corresponding authors)之一哥斯(Ghosh)教授表示,絲蛋白(Silk Protein)具有與人體組織內的胺基酸非常類似的各種胺基酸。就像在人體體內被蛋白質包圍的細胞一樣,在工程軟骨(engineered cartilage)中的細胞也一樣被具有相似成分的生物墨水所包圍。

暫時性軟骨(transient cartilage)

在膝蓋中的軟骨是關節軟骨,基本上似海綿的且有巨大的承載能力,然而到目前為止在實驗室中生產的軟骨是不一樣種類的-暫時性軟骨。與關節軟骨不同是,暫時性軟骨變成骨細胞,因此在短時間內變脆,所造成的結果是,工程軟骨在遇到膝蓋基本上會遇到的巨大負重時,失去它的承載力。

但研究團隊採用三維生物印跡方法,使得衍生自存在於生物墨水的軟骨幹細胞的高濃度骨髓逐漸轉變為似軟骨(chondrocyte-like)的細胞(為生產及維持軟骨胞外基質(extracellular matrix)的專門細胞)。

哥斯教授表示,我們已經成功地將似軟骨細胞或幹細胞停止轉換為骨細胞,因此它們可以繼續維持穩定的關節軟骨。這是透過優化生物墨水成分、三維生物印跡過程,以及使用成長因素的組合來完成。透過刺激(activate)兩個重要的信號路徑而使絲綢明膠生物墨水(silk-gelatin bioink)達到最優化,該二路徑負責最小化或抑制軟骨轉化為似骨組織。

印度理工學院坎普爾(Kanpur)分校的生物科學與生物工程系的教授,同時也是通訊作者的阿米沓巴‧班迪歐帕迪亞(Amitabha Bandyopadhyay)教授表示,所有早期的研究從未評估生產關節性或永久性軟骨,而我們評估且發現我們的策略可以導致在實驗室生產永久性軟骨。

像幹細胞的特性(Stem-cell like nature)

這個團隊透過將印度理工學院德里分校的組織工程與三維生物印跡專業與坎布爾分校的發育生物學(developmental biology)專業相結合來實現。班迪歐帕迪亞教授的實驗室從骨髓幹細胞開發了一種有良好表徵且新型的細胞株(cell line),即使在實驗室條件下經過數月的培養,該細胞株仍維持似幹細胞的特性。

哥斯教授表示,下一步我們將把三維生物印跡軟骨植入動物的膝蓋關節,觀察其是否可以在膝蓋關節維持穩定性,以及是否可以與周圍的軟骨組織相結合。

更新日期 : 2017/07/26