美地管理学家使用猪细胞为战士再生肌肉,浙大

美科学家利用猪细胞为士兵再生肌肉

清华生物医学工程系开发出可注射组织再生新技术

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  清华新闻网9月10日电 清华大学医学院生物医学工程系杜亚楠教授实验室最新开发了一种可注射干细胞3D微组织再生疗法,可极大促进基于干细胞治疗的组织修复和再生效果。相关论文Primed 3D injectable microniches enabling low-dosage cell therapy for critical limb ischemia 发表在9月3日的《美国科学院院刊》上。清华大学医学院生物医学工程系博士生李雅倩,刘伟和博士后刘飞是该论文的共同第一作者,杜亚楠教授是该论文的通讯作者。

北京时间11月11日消息,据美国《连线》杂志报道,在美国五角大楼的资助下,匹兹堡大学的研究小组利用猪细胞为士兵再生肌肉。一些猪细胞,一次外科手术再加上严格的日常锻炼构成了伤员再生肌肉的三大要素。目前,这项研究已取得引人注目的进展。

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在首次进行临床试验后短短几个月,他们已经为4名士兵进行了手术,并且培训了一批来自美国各地的外科医生,掌握这项技术。研究负责人斯蒂芬-巴迪拉克博士表示,如果继续按照这种速度进展下去,临床试验将在24个月内结束,这项技术将成为整形外科医生和外伤外科医生的一种标准疗法。

图注:通过预激的可注射型3D干细胞微环境应用于下肢缺血疾病的高效治疗。图中右侧为可注射的3D微组织;左侧为裸鼠血管的动态血流图。

这种技术下的肌肉再生并不像火蜥蜴那样神奇,但也非常令人感到吃惊。匹兹堡大学的研究成果意味着,在这个10年内,数千名在作战期间患上严重肌肉损失的士兵可能战胜破坏性损伤——将终生忍受慢性疼痛、残疾煎熬,除了截肢外没有可行性治疗手段——身体机能将至少提高25%。对于平民,这项研究成果更是具有不可估量的作用。借助于这项技术,不得不实施截肢手术的外伤和健康问题,例如车祸、火灾、癌症或者糖尿病末梢血管疾病,将不再给患者造成无法挽回的损伤。

  以组织工程和细胞治疗为代表的再生医学是现代医学最具发展潜力的领域,有望成为继药物和器械治疗之后下一个医疗健康行业的支柱产业。再生医学已在临床成功地用于皮肤再生,关节软骨重建,肌腱、脊髓损伤修复,免疫系统功能重建等,并在治疗下肢缺血、动脉粥样硬化、心肌梗死在内的缺血性疾病和各类器官组织修复和再生的动物模型和临床试验中显示出良好效果。然而,传统组织工程由于人造组织的空间尺度较大,需要通过有创性的手术移植来实现,并且由于传质问题,移植细胞的存活也是一个重大挑战。相比之下,可注射细胞治疗将游离细胞通过微创的方式直接注入体内进行治疗显示出更加良好的临床应用前景。但由于注射到体内的游离细胞大量流失,并在病灶区域死亡导致目前细胞治疗效率低,不稳定,重复性差。例如有研究表明细胞治疗下肢缺血性疾病时注射到体内的细胞中最终仅有3%能够在缺血和炎症部位发挥治疗作用。常用的解决方法是大量注入细胞,而过量的细胞不但增加了应用成本而且会因为细胞的不可控生长带来一系列安全问题。因此,迫切需要一种高效,可控的细胞治疗方法,以应对上述挑战。

五角大楼三军再生医学研究所实施了一系列超前的研究计划,巴迪拉克和匹兹堡大学再生医学研究所的同事只是参与者之一。三军再生医学研究所投入2.5亿美元进行研究,试图让再生医学成为主流。军方高官已加快“骨接合剂”临床试验步伐,以取代金属螺丝和金属板,同时加快复杂的面部和手部移植研究。目前,美国已经进行了几例这种手术。

  杜亚楠教授实验室充分利用其研究团队的工程背景,创新性地将广泛应用于半导体工业的微尺度技术与传统组织工程和细胞治疗方法相结合开发出基于可注射干细胞3D微组织的新型疗法,证实可大大增强干细胞在病灶区域的定位,存活和组织再生治疗效果,有望为实现“一针干细胞注射治疗疑难重大疾病”的梦想提供重要工具和手段。

利用巴迪拉克研发的技术进行组织再生的发展前景2007年首次登上媒体头版头条,当时他宣布成功利用基于猪膀胱细胞的混合物再生了小部分指尖。肌肉组织再生采取了类似的方式。外科医生首先向患者植入所谓的“细胞外基质”,形象地说就是一种“细胞胶水”,主要成分是来自于猪膀胱的生长因子蛋白。这些蛋白触发患者自身的干细胞,使其进入指定区域,启动组织再生和修复过程——成熟的肌肉通常无法做到这一点。通过与强化康复计划相结合,锻炼初生的肌肉,患者的身体不仅可以恢复基本的肌肉组织,同时还可以恢复保证肌肉正常工作的腱和神经。

  该疗法首先将干细胞在基于微加工可降解生物材料的3D多孔微载体中进行体外预培养,促进干细胞间的相互作用形成3D微组织,同时积累大量促进细胞活性和治疗效果的细胞外基质和活性因子。经过预培养的3D微组织,将干细胞“状态”调至最佳并“全副武装”以充分应对体内病灶区域缺血、炎症等恶劣环境。并可通过定点注射有效的聚集在治疗区域。和传统的游离细胞注射疗法相比,3D微组织注射治疗可发挥如“导弹”而非“子弹”的功效以实现定点高效治疗。因此,3D微组织疗法仅需要相当于传统游离细胞疗法十分之一的间充质干细胞用量就可使患有下肢缺血性疾病的小鼠实现血管和肌肉组织再生,避免截肢,这是迄今为止文献报道的可实现下肢缺血再生和治疗所需干细胞量最少和最有效的报道。尤为重要的是,3D微组织疗法可使用临床常用的注射器,操作方便,避免了传统组织工程中手术移植等造成的创伤。下肢缺血是糖尿病患者常见的并发症,糖尿病患者中有15%~20%在其病程中发生足溃疡或坏疽。国内糖尿病足患者的截肢率高达21~37.5%,此疗法有望为下肢缺血性疾病患者带来福音。相关技术申请了中国专利,并初步证明了可注射3D干细胞微组织在治疗其他疾病如皮肤损伤,肝衰竭和椎间盘蜕变等的良好治疗效果。

巴迪拉克说:“患者需要积极配合治疗,他们需要做很多工作。我们实施的治疗绝不是将一个模子放入腿里而后等待那么简单。这些士兵的肌肉损失达到60%和70%,为了重新过上正常的生活,他们愿意做任何事情。”

  杜亚楠教授于2010年在麻省理工学院完成博士后研究后入职清华大学医学院生物医学工程系,其实验室主要应用微尺度技术结合生物材料和细胞生物学构建精确可控的3D微尺度组织,为细胞/组织工程, 再生医学以及药物筛选和病理研究提供新型工程手段和解决方法。本工作得到了清华大学医学院生物医学工程系白净教授实验室在小动物成像方面的大力支持和协作,并得到国家自然科学基金委和国家科技部973计划的资助。

在再生指尖后短短4年,巴迪拉克研发的技术又恢复了患者失去的组织。现在,他的小组正在庆祝这一具有里程碑意义的成就。他们征募的第一位进行临床试验的患者是一名老兵,被临时爆炸装置炸伤,失去了小腿前胫骨的大部分肌肉。目前,这名老兵已经完成手术以及术后为期6个月的康复治疗。巴迪拉克在提到这名患者时说:“他的恢复情况良好。借助于我们研发的技术,患者无需进行切除手术,肢体也能很好地发挥功能,远远超过受伤后的情况。”

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2008年,美国海军陆战队下士以赛亚-赫南德兹成为巴迪拉克真正的实验鼠。赫南德兹失去了右侧的四头肌。随着在这两个病例身上取得成功,巴迪拉克研发的技术毫无疑问地将改变这一医学领域的面貌。赫南德兹在2011年初表示:“我现在体重减轻,经常做一些运动,感觉好极了。”他希望能够再次应征入伍,执行作战任务。

供稿:医学院 编辑:襄桦 学生编辑:长松

不久后,将有更多与赫南德兹类似的患者接受这种疗法。目前,再生医学研究所仍在招募给定身体部位肌肉损失至少达到25%(被研究人员称之为“大量损失”)或者需要接受截肢手术的现役士兵和老兵。在伊拉克和阿富汗,有超过50%的伤兵属于破坏性组织损伤,他们不用担心找不到渴望接受这种疗法的志愿者。巴迪拉克在提到这项技术时说:“根据我们掌握的情况,这项技术的表现非常出色。它的需求量巨大,我们会尽自己最大可能帮助遭受严重肌肉损失的伤兵。”

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