2014年05月21日

基于柠檬酸盐的生物材料可以减少骨骼愈合 减少反应

  根据州立大学生物工程师团队的研究,基于骨骼和柑橘类水果的天然产物(称为柠檬酸盐)的材料提供了干细胞形成新骨组织所需的额外能量。他们对允许柠檬酸盐辅助骨再生的机制的新认识将帮助研究人员开发缓释,可生物降解,柠檬酸盐的支架,作为骨骼生长模板,加速身体的愈合。

  “在我们的实验室,我们已经与柠檬酸盐合作了十多年,”州立大学生物医学工程教授Jian Yang说。“我们知道,在人体中,90%的有机柠檬酸盐位于骨骼组织中。但是没有人真正尝试使用柠檬酸盐作为构建块来制造骨骼生物材料。我们的新论文试图了解柠檬酸盐如何帮助骨骼愈合并利用这些理解指导新的仿生生物材料的设计,以便更好地修复骨骼。“

  自体移植 - 从患者身体的另一部分取骨并将其移植到伤口 - 是医院中最常用于骨再生的方法。这并不总是合适的方法,尤其是在癌症治疗期间去除大的伤口或骨组织的情况下。

  合成生物材料将是一个受欢迎的替代品,许多实验室正在努力开发它们。但目前的合成材料会引起严重的炎症,骨愈合速度慢,愈合质量差。身体将植入物与纤维化组织封装在一起,使植入物不会与周围的骨骼融为一体。使用杨的材料,研究人员没有看到包裹,慢性炎症是最小的。

  杨钰实验室的博士生马英英是该论文的第一作者。马云的问题是身体使用柠檬酸盐再生骨骼的鲜为人知的机制。她发现干细胞膜有一种转运蛋白,用于将柠檬酸盐转运到细胞中以提高细胞能量水平。当细胞分化以制造新的骨细胞时,它们需要更多的能量作为活性骨形成的支持。柠檬酸盐供应干细胞的时间和剂量也很关键。杨和马创造了新发现的柠檬酸对干细胞分化的影响作为“代谢调节”。

  该团队还确定了能源生产中的第二个因素,一种叫做磷酸丝氨酸的氨基酸。随着他们对骨再生机制的新认识,他们开发了一种包含柠檬酸盐和磷酸丝氨酸的生物材料,并在大鼠模型上进行了测试。

  “使用我们的新材料,我们看到一个月内新骨的早期沉积,”马说。“这比FDA批准的设备中广泛使用的生物材料要早得多。在这项研究中,我们测试了两种模型,即股骨髁骨和颅骨缺损。”

  据Ma介绍,在这两种动物模型中,我们都看到新的生物材料在早期骨形成和促进骨骼成熟方面优于商业材料。“对我来说,这是一个重要的发现,”杨说,他是州立大学材料研究所和哈克生命科学研究所的教员。“柠檬酸盐现在被认为是干细胞代谢和分化之间的中心联系。我们正在柠檬酸盐影响干细胞活性的机制,不仅影响骨骼,而且影响延伸到其他类型的细胞和组织。例如,大脑周围的脑脊液中含有高浓度的柠檬酸盐。

  与Yang和Ma一起,论文中的其他作者,“基于柠檬酸盐的材料燃料人类干细胞通过Metabonegenic Regulation”,是Jimin Kim,Dingying Shan,QiaolingLin和Maria Hudock,他们都是Yang实验室的现任或前任学生;和中国南方医科大学的邢兴桂,谢,襄敖和白晓春。美国国立卫生研究院,囊性纤维化基金会研究和国家自然科学基金会支持这项研究。