2021 年 11 月，西北大学的研究人员推出了一种可注射的新疗法，该疗法利用快速移动的“跳舞分子”来修复组织并逆转 严重脊髓损伤后的瘫痪。
现在，同一研究小组将这种治疗策略应用于受损的人类软骨细胞。在这项新研究中，这种治疗方法在短短四小时内就激活了再生软骨所需的基因表达。而且，仅仅三天后，人类细胞就产生了软骨再生所需的蛋白质成分。
研究人员还发现，随着分子运动的增加，治疗效果也会提高。换句话说，分子的“舞蹈”运动对于触发软骨生长过程至关重要。
该 研究于今天 (7 月 26 日)发表在《美国化学会志》上。
“当我们第一次观察到跳舞分子的治疗效果时，我们看不出它只适用于脊髓的任何理由，”领导这项研究的西北大学的 Samuel I. Stupp说。“现在，我们在两种完全不相关的细胞类型中观察到了这种效果——关节中的软骨细胞和大脑和脊髓中的神经元。这让我更加确信我们可能发现了一种普遍现象。它可以适用于许多其他组织。”
Stupp 是再生纳米医学领域的专家，他是西北大学材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程的董事会教授，也是 辛普森奎里生物纳米技术研究所 及其附属中心 再生纳米医学中心的创始主任。Stupp 还任职于 麦考密克工程学院、 温伯格艺术与科学学院 和 范伯格医学院。Stupp 实验室的研究生 Shelby Yuan 是这项研究的主要作者。
问题很大，解决方案很少
据世界卫生组织统计，截至 2019 年， 全球有近 5.3 亿人患有骨关节炎。骨关节炎是一种退行性疾病，随着时间的推移，关节组织会逐渐衰弱，是一种常见的健康问题，也是导致残疾的主要原因。
对于患有严重骨关节炎的患者，软骨会磨损得非常薄，以至于关节基本上变成了骨头与骨头之间的无缓冲垫。这不仅非常痛苦，患者的关节也无法正常运作。在这种情况下，唯一有效的治疗方法是关节置换手术，但这种手术费用昂贵且具有侵入性。
“目前的治疗旨在减缓疾病进展或推迟不可避免的关节置换，”Stupp 说。“没有再生选择，因为人类在成年期不具备再生软骨的固有能力。”
什么是“跳舞的分子”?
Stupp 和他的团队假设“跳舞分子”可能会促使顽固组织再生。跳舞分子是 Stupp 实验室之前发明的，它们是一种合成纳米纤维的组合，由数万到数十万个分子组成，这些分子具有强大的细胞信号。通过调整分子的化学结构，Stupp 发现移动的分子可以快速找到细胞受体并与之正确接触，而细胞受体也在不断运动，并且非常拥挤在细胞膜上。
一旦进入人体，纳米纤维就会模仿周围组织的细胞外基质。通过匹配基质的结构、模仿生物分子的运动以及为受体整合生物活性信号，合成材料能够与细胞进行通信。
“细胞受体不断移动，”Stupp 说。“通过让我们的分子移动、‘跳舞’，甚至暂时跳出这些被称为超分子聚合物的结构，它们能够更有效地与受体连接。”
运动很重要
在这项新研究中，Stupp 和他的团队研究了一种对软骨形成和维持至关重要的特定蛋白质的受体。为了针对这种受体，该团队开发了一种新的环状肽，可以模拟这种蛋白质的生物活性信号，这种肽被称为转化生长因子 β-1 (TGFb-1)。
然后，研究人员将这种肽整合到两种不同的分子中，它们相互作用形成水中的超分子聚合物，每种聚合物都具有模拟 TGFb-1 的相同能力。研究人员设计了一种具有特殊结构的超分子聚合物，使其分子能够在大型组装体中更自由地移动。然而，另一种超分子聚合物限制了分子运动。
Stupp 表示：“我们想修改结构，以便比较两个运动程度不同的系统。其中一个系统的超分子运动强度远高于另一个系统。”
虽然两种聚合物都模拟了激活 TGFb-1 受体的信号，但分子移动速度快的聚合物效果要好得多。从某些方面来看，它们甚至比自然界中激活 TGFb-1 受体的蛋白质更有效。
“三天后，暴露在更具移动性的分子长组合中的人体细胞产生了更多软骨再生所需的蛋白质成分，”Stupp 说。“对于软骨基质中的一种成分，即胶原蛋白 II 的产生，含有激活 TGF-beta1 受体的环肽的跳舞分子甚至比生物系统中具有此功能的天然蛋白质更有效。”
下一步是什么?
Stupp 的团队目前正在动物研究中测试这些系统，并添加额外的信号来创造高生物活性的疗法。
Stupp 表示：“随着人类软骨细胞研究的成功，我们预测，当用于高度转化的临床前模型时，软骨再生将得到极大增强。它应该发展成为一种用于关节软骨组织再生的新型生物活性材料。”
Stupp 的实验室还在测试“跳舞分子”再生骨骼的能力，并且已经取得了令人鼓舞的早期成果，这些成果很可能在今年晚些时候发表。同时，他还在人类类器官中测试这些分子，以加速发现和优化治疗材料的过程。
Stupp 的团队还继续向食品和药物管理局 (FDA) 提出申请，旨在获得临床试验的批准，以测试脊髓修复疗法。
Stupp 表示：“我们开始看到，这项关于‘跳舞分子’的基本发现可以应用于非常广泛的领域。通过化学设计控制超分子运动似乎是提高一系列再生疗法疗效的有力工具。”
该项研究名为“超分子运动使转化生长因子-β1 的环肽模拟物具有软骨生成生物活性”，由迈克和玛丽苏·香农捐赠给西北大学，用于在辛普森奎里生物纳米技术研究所再生纳米医学中心进行肌肉骨骼再生研究。