《科学》子刊：关节软骨再生获重大突破！科学家发明可降解的纳米纤维支架，运动时能产生电流，促进自身干细胞分化为膝软骨丨科学

无论是健身狂魔还是宅男宅女，大家想必都看过一些科普，知道如果运动的话，一定要保护膝关节软骨，它的缓冲作用对正常的生活和运动极为重要，可以避免骨骼发生直接的碰撞，但随着衰老，或者出于骨关节炎等疾病原因，软骨会逐渐磨损，且难以主动修复，让人连行走都变得艰难，光凭想象都能感知到那种难以言喻的痛苦。

然而，目前的常规治疗主要集中于抗炎和止痛，只能缓解症状，其他的疗法也都不尽如人意，比如生长因子或干细胞治疗有效率很低，来自于其他部位的自体软骨移植无疑是“拆东墙补西墙”，异体移植会免疫排斥，人工合成的软骨支架承重不佳，容易断裂……

怎么办呢？来自美国康涅狄克大学的研究人员们提供了一个新招：聚L-乳酸（PLLA）纳米纤维制作的生物可降解支架，具有压电特性，植入后，当关节产生挤压时，产生微电流，在走路之类的会让关节规律运动的情况下，PLLA支架会产生微弱但恒定的电场，促进干细胞的软骨分化，这个过程不需要在支架上额外添加生长因子或干细胞。

研究人员不仅揭示了这其中的机制，还在软骨损伤严重的骨关节炎兔子模型中验证了支架的有效性，植入支架并进行运动恢复后的1-2个月，兔子经历了完整的软骨再生和愈合，可以在跑步机上正常地迎阻力而上（有图为证）。这项研究成果以封面研究的形式发表在了《科学·转化医学》杂志上[1]。

红色是软骨

研究的通讯作者Thanh Nguyen的实验室一直在研究软骨再生，虽然很早以前，科学家们就已经知道软骨对电刺激很敏感[2]，可以利用电刺激促进软骨修复[3,4]，生物电在体内无处不在，也被认为是促进组织再生的因素之一。

但植入电刺激设备可能会导致感染和疼痛，无创的外部电磁场设备效果又不好，相比之下，压电材料是最好的选择，它们在被挤压或发生其他变形时都可以产生电流，植入后在关节运动时就可以产生电刺激，但常见的压电材料都是不可降解的或者有毒性的，安全性不够。

正巧，Nguyen的博士和博士后生涯研究的内容涉及生物可降解材料技术平台以及生物界面纳米压电学（Biointerfaced Nanopiezoelectrics）[5]，此前，他的团队报告了PLLA生物可降解压电纳米纤维的可用性[6,7]，这就为本次研究奠定了坚实的基础。

这次，他们首先验证了PLLA压电纳米纤维薄膜制作的3D软骨支架植入兔子体内后，在兔子的关节运动压力下，可以稳定的地产生电流，支架是用胶原蛋白粘合的，胶原蛋白黏附层的空间为细胞提供了生长空间。

支架外观和结构示意图（黄色为胶原蛋白）

体外实验显示，用适当的机械压力刺激支架，相比不具有压电性能的支架，兔子脂肪来源的干细胞迁移速度更快，并且更多地向软骨细胞分化，相关基因的表达，以及糖胺聚糖（GAG）和II型胶原蛋白的水平显著增加，支架对脂肪来源的干细胞也没有产生毒性。

压电支架+压力、非压电支架+压力、压电支架无压力、非压电支架无压力和只有脂肪来源干细胞五组的相关基因和GAG水平对比

接下来就是在体内再次验证这一现象的时间了，研究人员选择了重约3kg的骨关节炎兔子，通过手术给它们的膝关节植入支架，术后休息1个月，然后开始进行运动训练，每天在跑步机上跑20分钟，分别在坚持运动1个月和2个月后对软骨的恢复情况进行记录。

相比假手术组和非压电支架组，压电支架组兔子的软骨再生更多，关节表面更平滑，植入物与软骨的整合性更好，再生的软骨呈有光泽的白色，2个月时的软骨体积显著高于1个月时的测量结果（P=0.03）。和体外实验一致，压电支架组GAG和II型胶原蛋白的水平也显著增加。

在最后的实验中，研究人员发现了三个PLLA压电纳米纤维支架促进软骨恢复的潜在机制。首先，压电支架相比非压电支架能够吸附更多的纤维连接蛋白，这是组织愈合的第一阶段；第二，压电刺激使得细胞中的转化生长因子-β1（TGF-β1）水平增加，TGF-β1在干细胞成软骨分化过程中起着重要作用，也是体外成软骨培养基中的重要成分；第三，压电刺激部分增加了电压门控钙离子通道（VGCC）的打开，增加了钙离子向细胞内流入，增加了软骨形成。

对于这个研究成果，Nguyen表示非常激动，但他也指出，我们要谨慎地看待[8]，因为兔子体型较小，未来还需要在体型更大、更接近人类的动物中进行测试，另外，要延长观察时间，至少1-2年，以确保恢复后的软骨的耐用性，还要考虑在老年动物中进行测试，它们的愈合和恢复更艰难，但只有在这些方面继续取得成功，才能让更多的患者获益。

参考文献：

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abi7282

[2] Bassett C A L. Biologic significance of piezoelectricity[J]. Calcified tissue research, 1967, 1(1): 252-272.

[3] Zuzzi D C, de Campos Ciccone C, Neves L M G, et al. Evaluation of the effects of electrical stimulation on cartilage repair in adult male rats[J]. Tissue and Cell, 2013, 45(4): 275-281.

[4] de Campos Ciccone C, Zuzzi D C, Neves L M G, et al. Effects of microcurrent stimulation on Hyaline cartilage repair in immature male rats (Rattus norvegicus)[J]. BMC complementary and alternative medicine, 2013, 13(1): 1-9.

[5] https://me.engr.uconn.edu/blog/faculty/nguyen-thanh-duc/

[6] Curry E J, Le T T, Das R, et al. Biodegradable nanofiber-based piezoelectric transducer[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020, 117(1): 214-220.

[7] Curry E J, Ke K, Chorsi M T, et al. Biodegradable piezoelectric force sensor[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, 115(5): 909-914.

[8] https://today.uconn.edu/2022/01/regrowing-cartilage-in-a-damaged-knee-gets-closer-to-fixing-arthritis/