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研究人员开发了复制骨骼重塑过程的技术

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麻省大学阿默斯特大学应用生命科学研究所(IALS)的一个多学科研究团队开发了一种复制骨骼组织复杂性和骨骼重塑过程的技术。这一突破可以帮助研究人员进一步开展骨生物学研究,并有助于改善骨质疏松症药物的开发。

研究人员发表在《科学进展》上,开发了一种新的生物材料,称为脱矿质骨纸。该团队包括李俊宇,Yongkuk公园,Ryan Carpenter,化学工程。张爱玲(Eugene Cheong),生物化学与微生物学;郭俊国,分子和细胞生物学研究生课程;和伍斯特大学麻省医学院的Jae-Hyuck Shim。

该小组开发了一个小梁骨类器官模型,该模型可再现小梁骨腔的基本细胞外复杂性和细胞过程。骨小梁或海绵状骨是一种轻质,多孔的骨,包围着许多较大的空间,形成蜂窝状或海绵状外观。骨小梁是人体的“减震器”,将机械负荷从关节表面传递到皮质骨。与皮质骨相比,这些骨骼的钙含量较低,而骨髓含量较高。骨小梁的密度随着年龄的增长而降低。

“骨头是一种多功能组织,不仅可以保持机械稳定性,还可以调节血液形成和血液矿物质含量,” Lee说。“但是,研究骨重塑生物学是一项挑战,因为该过程发生在骨腔内部。难以进入的坚硬和不透明的骨组织,因此在体外创建逼真的骨组织模型也将增进我们对基本骨生物学的理解为提供模型疾病进展和筛选药物反应的新机会。”

骨骼重塑是一生的过程,在此过程中,成熟的骨骼组织会从骨骼中去除,并形成新的骨骼组织。这些过程还可以控制受伤后的骨骼替换以及正常日常活动中发生的微损伤。骨发育以分层的方式发生,因为第一个骨形成细胞沉积了结构性胶原蛋白,而胶原蛋白又矿化成硬骨。重复此过程以在整个生命中对骨骼组织进行重塑和建模。

UMass的科学家从当地一家屠宰场拿走了牛骨头,然后清洗并切成小块,在化学过程中将其脱矿质。为了重现骨骼重塑的过程,研究小组开发了一种新型的生物材料,脱矿质骨纸,该纸模仿了密集的结构基质,并带有薄薄的脱矿物质的牛致密骨头。该材料具有受控的厚度和表面积。它也具有机械耐用性和半透明性。

脱矿质的骨纸支持成骨细胞和破骨细胞的过程,这些细胞是仅在骨表面上驻留并起作用的细胞。破骨细胞负责老化骨骼,而成骨细胞负责新骨骼的形成。

骨纸用作功能模板,成骨细胞在致密胶原的层状结构的引导下迅速沉积结构性矿物质,并形成深度类似于活生物体的类骨质骨。该材料的半透明性使得可以使用荧光显微镜监控正在进行的细胞过程,它既薄又耐用,足以轻松处理。可以大量生产骨头纸-该团队能够从一只牛股骨中生产出5,000多张纸。

第一作者Yongkuk Park说,小梁骨模型可以通过替换牛骨而被人性化以进行转化研究。人性化的小梁骨模型可以提高临床前研究的预测能力,并缩短骨质疏松症药物的筛选时间。它还可以帮助研究人员促进骨骼生物学众多方面的未来研究。

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