摘要：脊柱外科醫(yī)生對(duì)如何促進(jìn)患者的新骨骼生長(zhǎng)的問題，尚未有定論，但現(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一種生物活性納米材料，它可以很好地刺激骨骼再生，這有可能成為外科醫(yī)生更認(rèn)同的方法。 研究人員研究了納米材料對(duì)生長(zhǎng)因子BMP-2活性的影響。他們發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)物模型中成功的脊柱融合需要100倍的蛋白質(zhì)。

    目前，西北大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一種生物活性納米材料，這種生物活性納米材料在刺激骨骼再生方面效果非常好，這種方法得到了外科醫(yī)生的認(rèn)同。（該納米材料見上圖）

    研究人員說(shuō)，雖然這種脊髓融合實(shí)驗(yàn)是在動(dòng)物模型中進(jìn)行研究的，但這種促進(jìn)新骨生長(zhǎng)的方法可以很容易轉(zhuǎn)化為人類所用。在美國(guó)，很多老齡化但仍有活力的人群越來(lái)越多地接受這種手術(shù)來(lái)治療由于椎間盤退變引起的疼痛，創(chuàng)傷和其他背部問題。另外，許多其他類似疾病可以從納米材料中受益，從修復(fù)骨創(chuàng)傷到骨癌治療到牙種植體的骨生長(zhǎng)。

    開發(fā)新納米材料的Samuel I. Stupp說(shuō)：“由這種生物納米活性材料制成的再生藥可以通過(guò)提供更少免疫反應(yīng)和更成功的促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)的方法來(lái)改善生活質(zhì)量。我們的方法非常靈活，可以適應(yīng)其他組織的再生，包括肌肉，肌腱和軟骨。”

    Stupp是西北生物納米技術(shù)學(xué)院的辛普森？奎里研究所所長(zhǎng)，另外還是材料科學(xué)與工程，化學(xué)，醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程教授。

    對(duì)于跨學(xué)科研究，Stupp與西北大學(xué)費(fèi)恩伯格醫(yī)學(xué)院的矯形外科研究助理教授Erin L. K. Hsu博士與矯形外科副教授Wellington K. Hsu醫(yī)生合作。 這一夫妻團(tuán)隊(duì)一直努力改善臨床上使用的骨再生方法。

    納米材料表面的糖分子能夠?yàn)楣趋捞峁┰偕芰Α?研究人員研究了“糖衣”納米材料對(duì)臨床使用的生長(zhǎng)因子（稱為骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（BMP-2））的活性的影響。他們發(fā)現(xiàn)成功的脊柱融合所需的蛋白質(zhì)的量減少到前所未有的水平：需要100倍的BMP-2。 這是一個(gè)非常好的消息，因?yàn)橐阎L(zhǎng)因子在以高質(zhì)量骨骼再生所需的量使用時(shí)會(huì)引起危險(xiǎn)的副作用，而且價(jià)格昂貴。

    該研究結(jié)果已經(jīng)于六月十九日刊登在《自然納米技術(shù)》雜志上。Stupp的可生物降解納米材料用作人造細(xì)胞外基質(zhì)，其模擬身體中的細(xì)胞與其周圍環(huán)境相互作用。BMP-2激活某些類型的干細(xì)胞，并將其信號(hào)變?yōu)楣羌?xì)胞。 由微小的納米級(jí)絲狀材料組成的基質(zhì)通過(guò)分子設(shè)計(jì)將天然糖結(jié)合在我們的身體中，然后在需要時(shí)緩慢釋放，而不是可能會(huì)造成副作用的在早期一次性爆發(fā)。

    為了創(chuàng)建納米結(jié)構(gòu)，Stupp領(lǐng)導(dǎo)的研究小組合成了一種特殊類型的糖，當(dāng)細(xì)胞信號(hào)需要傳導(dǎo)來(lái)促使骨骼生長(zhǎng)時(shí)，這種糖能像自然情況下一樣激活BMP-2。 顯示在納米結(jié)構(gòu)表面上的快速移動(dòng)的柔性糖分子“在實(shí)際部署信號(hào)的時(shí)候?qū)?rdquo;蛋白質(zhì)“捕獲在生物系統(tǒng)中的特定位置。 這會(huì)使骨骼生長(zhǎng)信號(hào)的增長(zhǎng)到驚人的水平，甚至超過(guò)我們身體中天然存在的糖聚合物。

    在本質(zhì)上，糖聚合物被稱為硫酸化多糖，其具有目前化學(xué)技術(shù)無(wú)法合成的超復(fù)雜結(jié)構(gòu)。已知生物系統(tǒng)中有數(shù)百種蛋白質(zhì)具有結(jié)合這些糖聚合物的特定結(jié)構(gòu)域以激活信號(hào)的能力。這些蛋白質(zhì)在組織再生中都非常重要，包括血管生長(zhǎng)，細(xì)胞聚集和細(xì)胞增殖。因此，Stupp團(tuán)隊(duì)的方法可以擴(kuò)展到其他再生目標(biāo)上。

    脊柱融合是一種常見的外科手術(shù)，使用骨移植物和生長(zhǎng)因子將鄰近的椎骨聯(lián)合在一起，以促進(jìn)新的骨骼生長(zhǎng)，從而穩(wěn)定脊柱。 移植物中使用的骨骼可以來(lái)自患者的骨盆，也可以來(lái)自骨庫(kù)。

    脊柱外科醫(yī)生Wellington Hsu說(shuō)：“臨床上有效，安全并具有成本效益的形成骨骼的方法是被迫切需要的，這種納米材料的成功令我興奮，所有脊柱外科醫(yī)生有一天可能會(huì)應(yīng)用這種骨移植方法，現(xiàn)在如果你詢問脊柱外科醫(yī)生有關(guān)骨移植的問題，你會(huì)得到用于骨骼移植的15到20個(gè)不同的答案，我們需要標(biāo)準(zhǔn)化選擇并能改善患者的結(jié)果。”

    體內(nèi)部分的研究中使用膠原海綿將納米材料遞送至脊柱，是外科醫(yī)生目前能臨床提供BMP-2以促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)的方式。

    西北研究團(tuán)隊(duì)正計(jì)劃征求食品藥物管理局的批準(zhǔn)，開展臨床試驗(yàn)，研究人體骨再生納米材料。

    Wellington Hsu說(shuō)：“我們的外科醫(yī)生正在為生長(zhǎng)因子和細(xì)胞尋找最佳載體。由于其眾多的結(jié)合位點(diǎn)，這種新納米材料的嘗試比現(xiàn)有載體在身體準(zhǔn)備好時(shí)釋放生長(zhǎng)因子更成功，并且時(shí)間對(duì)于骨再生的成功至關(guān)重要。”

    在新的納米材料中，Stupp在15年前開發(fā)了一套支架，“糖衣”被顯示在由自組裝分子（稱為肽兩親物）構(gòu)建的支架中。這些合成分子在他的再生醫(yī)學(xué)工作中是至關(guān)重要的。

    Stupp說(shuō)：“我們專注于骨骼再生，以證明糖納米結(jié)構(gòu)能夠提供較大的生物信號(hào)。在我們的身體中，隨著設(shè)計(jì)的略微變化，這種方法可以與其他生長(zhǎng)因子一起用于各種組織的再生，有一天我們可以完全擺脫重組生物技術(shù)生長(zhǎng)因子的使用。”