生物科学门户网站
BIO1000.COM

重组胶原蛋白多肽作为通用的骨移植生物材料

当前的骨移植手术金标准包括自体移植和同种异体移植,尽管开发合成生物材料以增强骨组织工程中的生物整合的需求不断增长。在现已发表在《自然通讯材料》上的新报告中,伏见英夫和生物科学与工程研究团队以及日本和美国的重组生物技术研究人员开发了一种可生物降解的支架材料,它使用重组蛋白或多肽作为基于水凝胶的移植材料的来源。研究小组使用了人类I型胶原蛋白alpha 1链(缩写为RCPhC1)作为开发重组多肽的来源,并证明了该材料具有灵活性,可为骨移植物设计理想的特性。该团队还使用高度可扩展的精简生产方案开发了RCPhC1骨移植物,以在实验室中可靠地生成成熟的骨组织。在有效的生物整合的临床前动物模型中,组织再生后,骨移植物完全吸收。

具有仿生,合成骨移植物的骨组织工程

在这项工作中,伏见等人。通过使用缩写为RCPhC1的重组蛋白开发了一种合成的骨移植材料。该开发提供了一种通用的原材料,可通过灵活的工程技术来制造人造骨移植物。通过在犬类和啮齿类动物骨骼缺损模型中进行临床前研究,研究小组显示出具有结构成熟度的植骨再生骨组织的效率有所提高。在临床骨科中,组织体积和功能的丧失是损伤,慢性炎症以及代谢和遗传疾病的标志。虽然骨组织可以通过间充质基质或干细胞的增殖和成骨分化而积极地再生大型骨缺损需要外科手术,用骨移植材料修复和重建骨骼。

在全球范围内,整形外科医生每年在极其昂贵的全球市场中执行约220万例骨移植手术。人体骨骼组织由有机细胞外基质,结晶的钙和形成羟磷灰石的磷矿物质组成。骨移植材料可以模拟骨骼组织的结构和生化组成。骨科医生和研究人员已使用自体骨移植物(从同一个个体获得的细胞和组织)修复由于矿物质和免疫学问题而引起的骨缺损,尽管手术部位的并发症可能会导致其他移植方法,例如同种异体移植(从其他个体获得的细胞和组织)。用于骨组织工程的仿生,合成生物材料的最新开发解决了医疗保健行业迫切需要开发的新型移植材料而无需使用人或动物组织的需求。

研究小组使用了在结缔组织和间质膜中大量表达的I型胶原蛋白作为骨组织的主要有机成分。I型胶原蛋白的蛋白质序列在建立骨骼的机械强度中起重要作用。该团队首先将互补DNA(cDNA)(一种编码多肽(蛋白质序列)RCPhC1的信使RNA(mRNA)分子的DNA副本)克隆到表达载体中。为此,他们使用了一种称为巴斯德毕赤酵母的甲基营养型酵母来转移序列并产生主细胞库和工作细胞库。研究小组确认了合成多肽的氨基酸组成,并对产品进行了广泛表征。

然后,他们设计了移植材料的内部结构,以满足目标组织的特定要求。因此,为了产生均匀的孔结构,Fushimi等人。设计了薄层冻结铸造(TLFC)协议。通用的冷冻方法产生大量具有薄壁的孔,以形成具有各种内部结构的各向同性RCPhC1支架。

伏见等。接下来对该材料进行脱氢热交联处理,以测试交联温度和持续时间对其组成的影响。在对下游产品进行微生物污染测试之后,可以确定制造过程中的温度对于干热灭菌有效。其他测试表明重组蛋白独特的氨基酸组成如何促进其强大的水热交联效率。接下来,研究小组根据大鼠颅盖骨(颅骨)骨缺损模型中移植物诱导的骨的体积,通过调节多肽材料的浓度及其冻结温度,优化了用于骨移植的重组蛋白材料。在将材料移植到动物模型中四个星期后,研究小组使用了基于微型计算机断层扫描(micro CT)的骨体积估计。结果表明最佳浓度为7.5%RCPhC1,冷冻温度为-40至-60摄氏度,并在130°C进行7个小时的脱氢交联,最适合重组骨移植材料的制造。

在临床前模型中使用移植材料对重要骨组织进行强大的再生

基于实验验证的最佳条件,Fushimi等人。制造了带有多孔颗粒的RCPhC1骨移植物。他们使用大鼠颅盖骨缺损模型,展示了骨移植物如何在内部孔结构内稳健地诱导骨再生,同时在体内逐渐降解,以表明生物相容性和有效的生物整合。他们将该结果与可商购的牛(牛)脱细胞松质骨异种移植物进行了比较并且没有观察到明显的更大的骨再生。然后,该团队在犬牙拔牙的临床前模型中测试了骨移植材料,以了解牙槽窝的伤口愈合情况,其中用骨移植物处理的拔牙窝在12周时显示出改善的骨形成。到了这个时候,正如预期的那样,骨移植物已被骨骼组织所取代。

骨组织工程中合成支架的前景

以这种方式,Hideo Fushimi及其同事优化了一个简单但关键的工程流程,以调节具有目标氨基酸取代的人类I型胶原蛋白αI链蛋白的重组多肽(缩写为RCPhC1)的溶质浓度。该团队首先将构建体植入大鼠颅骨缺损模型中,以了解制造骨移植物的最佳工程因素。他们设计了骨移植材料,以支持间充质干细胞(MSCs)向缺损区域迁移,并为成骨分化提供了刺激的微环境。在没有生长因子和干细胞再生骨骼的情况下,仅移植骨材料就显示出理想的愈合方式。该材料可用于生产在骨组织工程中具有显着制造多功能性的组织专用医疗器械和移植支架。

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。