用“工程活组织”制成的替代椎间盘治疗脊柱疼痛已经接近现实

生物工程椎间盘首次成功植入，并在迄今为止评估组织工程椎间盘置换术的最大动物模型中提供了长期功能。一项新的宾夕法尼亚大学医学研究发表在科学转化医学提供了令人信服的转化证据，证明患有颈部和背部疼痛的患者的细胞可以用于在实验室中构建一个新的椎间盘，以取代恶化的椎间盘。这项研究是由宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院、工程与应用科学学院和兽医学院的一个多学科团队进行的，研究对象是山羊。

脊柱里的软组织椎间盘这些动作在日常生活中是必不可少的，比如扭头系鞋带。然而，在任何给定的时间里，美国大约有一半的成年人患有背部或颈部疼痛，其治疗和护理给社会带来了巨大的经济负担——估计每年达1950亿美元。虽然椎间盘退变通常与这种疼痛有关，但椎间盘退变的根本原因尚不清楚。目前的方法，包括脊柱融合术和机械替代装置，可以缓解症状，但不能恢复原有的椎间盘结构、功能和活动范围，而且长期疗效有限。因此，需要新的治疗方法。

组织工程前景广阔。它包括将患者或动物自身的干细胞与实验室中的生物材料支架结合起来，生成一个复合结构，然后植入脊柱，作为一个替代椎间盘。在过去的15年里，宾夕法尼亚大学的研究团队一直在开发一种组织工程替代椎间盘，从体外基础科学研究到小动物模型，再到更大的动物模型，并着眼于人体试验。

“这是一个重要的步骤:在实验室里培养这么大的椎间盘，让它进入椎间盘空间，然后让它开始与周围的原生组织融合。这很有希望，”罗伯特·l·莫克博士说，他是宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院矫形外科教育与研究教授，也是费城迈克尔·Crescenz下士VA医疗中心(CMC VAMC)的研究健康科学家，也是该论文的共同高级作者。“目前的护理标准并不能真正恢复椎间盘，所以我们希望用这种工程设备以生物的、功能性的方式取代它，重新获得全面的活动范围。”

该团队过去的研究成功地证明了他们设计的圆盘(被称为圆盘状角层结构(DAPS))在大鼠尾巴上的整合，持续了五周。这项最新的研究将大鼠模型的时间延长到20周，但使用了改良的工程椎间盘，称为终板修饰的DAPS，或eDAPS，以模拟原生脊柱节段的结构。终板的加入有助于保留工程结构的组成，并促进其与原生组织的融合。

MRI以及组织学、力学和生化分析表明，eDAPS恢复了大鼠模型中固有的椎间盘结构、生物学和力学功能。在取得成功的基础上，研究人员随后将eDAPS植入山羊的颈椎。他们选择了山羊，因为山羊的颈椎间盘尺寸与人类相似，而且山羊有半直立的身材。

研究人员成功证明椎间盘置换在山羊的颈椎。4周后，在大规模eDAPS中，基质分布或保留或改善。MRI结果还表明，8周时的椎间盘组成得以维持或改善，机械性能与原生山羊颈椎间盘相当或超过它们。

“我认为我们已经走了这么远，从老鼠尾巴一直到人类大小的植入物，这真的很令人兴奋，”哈维·e·史密斯医学博士说，他是佩雷尔曼医学院的骨科和神经外科副教授，也是CMC VAMC的外科医生，也是这项研究的联合资深作者和临床负责人。“当你看到机械设备的成功文献时，我认为有很好的理由乐观地认为，我们可以取得同样的成功，如果没有超过工程椎间盘的话。”

研究团队将这项工作的成功归功于他们自宾大开始以来所采取的多学科和转化方法，宾大汇集了来自不同部门和学校的许多专家，他们都参与了这个项目。

“我们激发了宾大旗下所有不同的项目，从基础研究到临床医生。我们有一个令人难以置信的网络，可以用于这项研究和其他研究，”研究作者Thomas P. Schaer说，他是宾夕法尼亚大学兽医学院新博尔顿中心转化骨科研究和临床前研究主任。“并不是每个学术机构都有这种合作的生态系统，这对我们来说是一个巨大的优势，当我们开始这项研究时，然后随着时间的推移保持它。”

该团队还包括第一作者Sarah E. Gullbrand博士，宾夕法尼亚大学骨科外科和下士Michael J. Crescenz VA医疗中心转化肌肉骨骼研究中心的研究助理，Lachlan J. Smith博士，宾夕法尼亚大学神经外科和骨科外科助理教授，Dawn M. Elliott博士，前宾夕法尼亚大学研究员，现任特拉华大学生物医学工程主席。

作者说，下一步将进行长期研究，以进一步表征eDAPS在山羊模型中的功能，以及模拟人类椎间盘的退变，并测试他们的工程椎间盘在这种情况下的表现。

史密斯说:“植入一个由你自己的细胞制成的生物设备是非常可取的。”“在这种性质的关节成形术中使用真正的组织工程运动保护替代设备，这是我们在骨科领域还没有做过的事情。我认为这将是我们如何真正治疗这些脊柱疾病以及如何进行关节运动重建的范式转变。”