摘要：脊柱外科醫生對如何促進患者的新骨骼生長的問題，尚未有定論，但現在科學家們已經設計出了一種生物活性納米材料，它可以很好地刺激骨骼再生，這有可能成為外科醫生更認同的方法。 研究人員研究了納米材料對生長因子BMP-2活性的影響。他們發現，在動物模型中成功的脊柱融合需要100倍的蛋白質。

    目前，西北大學的科學家們已經設計出了一種生物活性納米材料，這種生物活性納米材料在刺激骨骼再生方面效果非常好，這種方法得到了外科醫生的認同。（該納米材料見上圖）

    研究人員說，雖然這種脊髓融合實驗是在動物模型中進行研究的，但這種促進新骨生長的方法可以很容易轉化為人類所用。在美國，很多老齡化但仍有活力的人群越來越多地接受這種手術來治療由于椎間盤退變引起的疼痛，創傷和其他背部問題。另外，許多其他類似疾病可以從納米材料中受益，從修復骨創傷到骨癌治療到牙種植體的骨生長。

    開發新納米材料的Samuel I. Stupp說：“由這種生物納米活性材料制成的再生藥可以通過提供更少免疫反應和更成功的促進骨骼生長的方法來改善生活質量。我們的方法非常靈活，可以適應其他組織的再生，包括肌肉，肌腱和軟骨。”

    Stupp是西北生物納米技術學院的辛普森？奎里研究所所長，另外還是材料科學與工程，化學，醫學和生物醫學工程教授。

    對于跨學科研究，Stupp與西北大學費恩伯格醫學院的矯形外科研究助理教授Erin L. K. Hsu博士與矯形外科副教授Wellington K. Hsu醫生合作。 這一夫妻團隊一直努力改善臨床上使用的骨再生方法。

    納米材料表面的糖分子能夠為骨骼提供再生能力。 研究人員研究了“糖衣”納米材料對臨床使用的生長因子（稱為骨形態發生蛋白2（BMP-2））的活性的影響。他們發現成功的脊柱融合所需的蛋白質的量減少到前所未有的水平：需要100倍的BMP-2。 這是一個非常好的消息，因為已知生長因子在以高質量骨骼再生所需的量使用時會引起危險的副作用，而且價格昂貴。

    該研究結果已經于六月十九日刊登在《自然納米技術》雜志上。Stupp的可生物降解納米材料用作人造細胞外基質，其模擬身體中的細胞與其周圍環境相互作用。BMP-2激活某些類型的干細胞，并將其信號變為骨細胞。 由微小的納米級絲狀材料組成的基質通過分子設計將天然糖結合在我們的身體中，然后在需要時緩慢釋放，而不是可能會造成副作用的在早期一次性爆發。

    為了創建納米結構，Stupp領導的研究小組合成了一種特殊類型的糖，當細胞信號需要傳導來促使骨骼生長時，這種糖能像自然情況下一樣激活BMP-2。 顯示在納米結構表面上的快速移動的柔性糖分子“在實際部署信號的時候將”蛋白質“捕獲在生物系統中的特定位置。 這會使骨骼生長信號的增長到驚人的水平，甚至超過我們身體中天然存在的糖聚合物。

    在本質上，糖聚合物被稱為硫酸化多糖，其具有目前化學技術無法合成的超復雜結構。已知生物系統中有數百種蛋白質具有結合這些糖聚合物的特定結構域以激活信號的能力。這些蛋白質在組織再生中都非常重要，包括血管生長，細胞聚集和細胞增殖。因此，Stupp團隊的方法可以擴展到其他再生目標上。

    脊柱融合是一種常見的外科手術，使用骨移植物和生長因子將鄰近的椎骨聯合在一起，以促進新的骨骼生長，從而穩定脊柱。 移植物中使用的骨骼可以來自患者的骨盆，也可以來自骨庫。

    脊柱外科醫生Wellington Hsu說：“臨床上有效，安全并具有成本效益的形成骨骼的方法是被迫切需要的，這種納米材料的成功令我興奮，所有脊柱外科醫生有一天可能會應用這種骨移植方法，現在如果你詢問脊柱外科醫生有關骨移植的問題，你會得到用于骨骼移植的15到20個不同的答案，我們需要標準化選擇并能改善患者的結果。”

    體內部分的研究中使用膠原海綿將納米材料遞送至脊柱，是外科醫生目前能臨床提供BMP-2以促進骨骼生長的方式。

    西北研究團隊正計劃征求食品藥物管理局的批準，開展臨床試驗，研究人體骨再生納米材料。

    Wellington Hsu說：“我們的外科醫生正在為生長因子和細胞尋找最佳載體。由于其眾多的結合位點，這種新納米材料的嘗試比現有載體在身體準備好時釋放生長因子更成功，并且時間對于骨再生的成功至關重要。”

    在新的納米材料中，Stupp在15年前開發了一套支架，“糖衣”被顯示在由自組裝分子（稱為肽兩親物）構建的支架中。這些合成分子在他的再生醫學工作中是至關重要的。

    Stupp說：“我們專注于骨骼再生，以證明糖納米結構能夠提供較大的生物信號。在我們的身體中，隨著設計的略微變化，這種方法可以與其他生長因子一起用于各種組織的再生，有一天我們可以完全擺脫重組生物技術生長因子的使用。”