骨为癌症转移的骨愈合打开新的窗口

俄勒冈州的研究人员设计了一种材料，可以以前所未有的精度复制人类的骨组织，从其微观晶体结构到其生物活性。他们正在利用它来探索基本的疾病过程，如骨转移瘤的起源和大骨损伤的治疗。

“基本上，这是一种小型化的骨头，我们可以在72小时或更短的时间内生产出来，”生物医学工程师Luiz Bertassoni说。他是DDS博士，是OHSU牙科学院的助理教授，也是俄亥俄州骑士癌症研究所CEDAR癌症早期检测高级研究中心的成员。

与真正的骨骼一样，这种材料具有3D矿物结构，包括骨细胞、神经细胞和内皮细胞，它们可以自我组织成功能性血管。

“值得注意的是，我们在该领域的研究人员已经习惯于在蛋白质混合物中培养细胞，以模拟细胞在体内的生存方式。但这是第一次有人可以将细胞嵌入矿物质，即骨组织，”Bertassoni说。

这是将新材料制成模型，用于研究骨功能、疾病和骨再生的前景。“通过这个模型系统，你可以开始询问骨细胞如何吸引不同类型的癌症，癌细胞如何进入骨骼，以及骨骼如何参与骨髓功能的调节，”Bertassoni说。

"你甚至可以剖析导致白血病等疾病的机制."Bertassoni是博士后研究员，Greeshma Nair是博士，Avathamsa Athirasala是博士生，M.Sc.Eng是自然科学的研究成果已经发表在其他合著者的期刊上。

“能够在实验室设计真正的骨组织也可以改变再生医学，”Bertassoni说。“因为目前大面积骨折的治疗需要切除患者自身的健康骨骼，这样才能植入受伤部位。”

该配方首先将人类干细胞混合到含有胶原蛋白的溶液中，胶原蛋白在骨组织基质中富含蛋白质。胶原蛋白连接在一起，形成嵌入干细胞的凝胶。然后，研究人员用溶解的钙和磷酸盐(骨骼的矿物质)的混合物填充凝胶。他们添加了另一种关键成分，来自牛奶的蛋白质骨桥蛋白，以防止矿物质过快形成晶体。这种添加剂附着在钙和磷酸盐上，也能最大限度地降低矿物质对细胞的毒性。

混合物通过海绵胶原蛋白中DNA链宽度左右的通道网络扩散，溶解的矿物质沉淀成有序的晶体层。

“我们可以将骨骼结构复制到纳米尺度，”伯塔索尼说。"我们的模型经历了与骨骼相同的生物物理形成过程."

在这种钙化的环境中，干细胞在不添加任何其他分子的情况下，发育成功能性的骨细胞、成骨细胞和骨细胞，就好像知道自己是嵌入在实际的骨基质中一样。几天之内，生长的细胞挤压细长的突起穿过其矿化环境中的空间，与相邻的细胞连接和沟通。类骨工程结构创造了一个微环境，足以提示干细胞是时候成熟为骨细胞了。

“这是一种自然功能，而且很美，”伯塔索尼说。"因此，我们更进一步，决定尝试使用骨骼脉管系统和神经支配."

加入混合物中的神经细胞形成了一个相互连接的网络，在矿化后仍然存在。类似地，内皮细胞形成一个在矿化后保持开放的管道网络。

为了测试材料作为疾病模型的有效性，研究人员将他们的工程骨植入实验室老鼠的皮肤下。几天后，实验室制造的血管与老鼠体内的血管系统连接起来。当研究人员在附近注射前列腺癌细胞时，他们发现给予矿化骨结构的小鼠的肿瘤生长比使用非矿化对照的小鼠高三倍。

该团队现在正在设计一种在人工骨周围生长的骨髓细胞的工程版本，可以作为研究血液癌症发生和发展的模型，包括各种形式的白血病。此外，他们还在动物模型中测试了工程类骨材料作为受损骨骼的替代品——他们预计将在不久的将来报告这些结果。

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