基于檸檬酸鹽的生物材料可以減少骨骼愈合 減少排斥反應

根據賓夕法尼亞州立大學生物工程師團隊的研究，基于骨骼和柑橘類水果的天然產物(稱為檸檬酸鹽)的材料提供了干細胞形成新骨組織所需的額外能量。他們對允許檸檬酸鹽輔助骨再生的機制的新認識將幫助研究人員開發緩釋，可生物降解，釋放檸檬酸鹽的支架，作為骨骼生長模板，加速身體的愈合。

“在我們的實驗室，我們已經與檸檬酸鹽合作了十多年，”賓夕法尼亞州立大學生物醫學工程教授Jian Yang說。“我們知道，在人體中，90%的有機檸檬酸鹽位于骨骼組織中。但是沒有人真正嘗試使用檸檬酸鹽作為構建塊來制造骨骼生物材料。我們的新論文試圖了解檸檬酸鹽如何幫助骨骼愈合并利用這些理解指導新的仿生生物材料的設計，以便更好地修復骨骼。“

該團隊的論文今天(11月26日)在“美國國家科學院院刊”上發表。

自體移植 - 從患者身體的另一部分取骨并將其移植到傷口 - 是醫院環境中最常用于骨再生的方法。這并不總是合適的方法，尤其是在癌癥治療期間去除大的傷口或骨組織的情況下。

合成生物材料將是一個受歡迎的替代品，許多實驗室正在努力開發它們。但目前的合成材料會引起嚴重的炎癥，骨愈合速度慢，愈合質量差。身體將植入物與纖維化組織封裝在一起，使植入物不會與周圍的骨骼融為一體。使用楊的材料，研究人員沒有看到包裹，慢性炎癥是最小的。

楊鈺實驗室的博士生馬英英是該論文的**作者。馬云的問題是揭示身體使用檸檬酸鹽再生骨骼的鮮為人知的機制。她發現干細胞膜有一種轉運蛋白，用于將檸檬酸鹽轉運到細胞中以提高細胞能量水平。當骨干細胞分化以制造新的骨細胞時，它們需要更多的能量作為活性骨形成的支持。檸檬酸鹽供應干細胞的時間和劑量也很關鍵。楊和馬創造了新發現的檸檬酸對干細胞分化的影響作為“代謝調節”。

該團隊還確定了能源生產中的第二個因素，一種叫做磷酸絲氨酸的氨基酸。隨著他們對骨再生機制的新認識，他們開發了一種包含檸檬酸鹽和磷酸絲氨酸的生物材料，并在大鼠模型上進行了測試。

“使用我們的新材料，我們看到一個月內新骨的早期沉積，”馬說。“這比FDA批準的設備中廣泛使用的生物材料要早得多。在這項研究中，我們測試了兩種模型，即股骨髁骨和顱骨缺損。”

據Ma介紹，在這兩種動物模型中，我們都看到新的生物材料在誘導早期骨形成和促進骨骼成熟方面優于商業材料。“對我來說，這是一個重要的發現，”楊說，他是賓夕法尼亞州立大學材料研究所和哈克生命科學研究所的教員。“檸檬酸鹽現在被認為是干細胞代謝和分化之間的中心聯系。我們正在揭示檸檬酸鹽影響干細胞活性的機制，不僅影響骨骼，而且影響延伸到其他類型的細胞和組織。例如，大腦周圍的腦脊液中含有高濃度的檸檬酸鹽。

與Yang和Ma一起，論文中的其他作者，“基于檸檬酸鹽的材料燃料人類干細胞通過Metabonegenic Regulation”，是Jimin Kim，Dingying Shan，QiaolingLin和Maria Hudock，他們都是Yang實驗室的現任或前任學生;和中國南方醫科大學的邢興桂，謝登輝，襄敖和白曉春。美國國立衛生研究院，囊性纖維化基金會研究獎和國家自然科學基金會支持這項研究。