可能的干细胞疗法常常受限于移植干细胞的存活率低，以及难以精确控制其分化为修复或替代受损组织所需细胞类型。由 David Mooney 领导的团队，他是哈佛大学 Wyss Institute 的核心教职人员，现已开发出一种策略，通过提高移植干细胞的存活率并影响其细胞分化，在实验中改善了骨修复效果。该方法将干细胞包埋于多孔、可移植的水凝胶中。
除Mooney外，团队还包括Georg Duda（Wyss Institute副教职人员，柏林Charité – Universitätsmedizin所属Julius Wolff Institute for Biomechanics and Musculoskeletal Regeneration的负责人）以及Wyss Institute创始主任Donald Ingber。团队研究成果发表于今日出版的Nature Materials。Mooney还担任Robert P. Pinkas Family Professor of Bioengineering，任职于 Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences。
干细胞疗法在修复多种组织和骨骼，甚至替代器官方面具有潜力。组织特异性干细胞现已可在实验室中生成。然而，无论干细胞在实验室中生长得多好，移植后它们都必须存活并正常发挥功能。让干细胞做到这一点，一直是研究人员面临的重大挑战。
Mooney团队及其他研究人员已发现干细胞微环境（即干细胞在其他细胞类型和环境因素支持下存活并繁盛的区域）中的特定化学和物理信号，用以促进干细胞存活、增殖并成熟为组织。尽管控制干细胞行为的化学信号日益为人所理解，但人们对干细胞微环境的力学特性知之甚少。然而，已发现在实验室中培养的骨骼、软骨或肌肉中的干细胞具有力敏感性，即它们需要具有特定弹性和硬度的物理基质才能增殖和成熟。
“迄今为止，这些物理影响尚未被有效用于推动现实世界中的再生过程，”参与Mooney研究、也是本研究第一作者的研究生Nathaniel Huebsch说。“基于我们在力敏感干细胞方面的经验，我们假设水凝胶可用于在首个骨再生模型中生成恰当的化学和力学信号。”
两种性质迥异、均含水的水凝胶是Mooney团队方法的关键。一种更稳定、持续时间更长的“本体凝胶”中充满了第二种所谓的“致孔剂”的小气泡，后者降解速度快得多，留下多孔空腔。
通过将本体凝胶与一种源自真实干细胞微环境细胞外环境的小“肽”偶联，并将其与组织特异性干细胞类型及致孔剂混合，团队便可构建一个促进成骨的人工微环境。本体凝胶提供恰当的弹性及相关化学信号，促使干细胞增殖和成熟，而致孔剂则逐渐分解，留下开放空间，干细胞在其中扩展，随后自然迁出凝胶结构，最终形成真正矿化的骨组织。
在迄今进行的小动物实验中，研究人员表明，具有正确化学和弹性特性、能够形成空隙的水凝胶，比单独移植干细胞能提供更好的骨再生效果。值得进一步关注的是，水凝胶所部署的成熟干细胞还会诱导附近的原生干细胞参与骨修复，进一步放大其再生效应。
“这项研究首次证明，生物材料的物理特性不仅有助于递送干细胞，还能在体内调节其行为，”Mooney说。“虽然迄今为止我们主要聚焦于协调骨形成，但我们相信，我们的水凝胶概念也可广泛应用于其他再生过程。”
这项跨学科合作研究得到了哈佛大学材料研究科学与工程中心（Materials Research Science and Engineering Center，MRSEC）的支持，该中心由美国国家科学基金会（NSF）资助。
“这是MRSEC项目高影响力的一个出色例证，”美国国家科学基金会项目主任Dan Finotello说。“MRSEC汇聚了多位经验各异、专长互补的研究人员，使他们能够以显著更快的速度推进科学研究。”
其他资金来源包括美国国立卫生研究院；比利时美国教育基金会；柏林爱因斯坦基金会；柏林-勃兰登堡再生疗法学院；哈佛学院研究计划；以及NSF研究生研究奖学金、爱因斯坦访问学者奖学金、哈佛学院PRISE奖学金、Herchel-Smith奖学金和Pechet Family Fund奖学金。
本文与 Harvard Gazette合作发表。发表本文并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Benjamin Boettner与Kat J. McAlpine任职于Wyss Institute传播部门。
图片：Miko Kapidzic是胚外干细胞专家，在加州大学旧金山分校的Eli and Edythe Broad Center of Regeneration Medicine and Stem Cell Research工作，摄于2009年3月10日的加利福尼亚州旧金山。REUTERS/Robert Galbraith
