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智能软骨细胞被编程为在压力下释放药物

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圣路易斯华盛顿大学医学院的研究人员致力于开发新的治疗骨关节炎的方法,他们对软骨进行了基因工程改造,以提供抗炎药,以应对类似于膝盖弯曲或其他施加压力的活动。

骨关节炎的早期症状之一是对此类运动的反应,即涉及关节机械负荷的运动。弯曲或抬起伴随的关节疼痛可能使执行正常活动变得困难。但是,通过在实验室中改变软骨细胞中的基因,研究人员已经能够对它们进行编程,以通过生产抗炎药物来应对与运动和负重相关的机械应力。

该研究于1月27日在线发表在《科学进展》杂志上。

高级研究人员Farshid Guilak表示:“布洛芬和萘普生之类的药物可减轻关节疼痛和降低全身性炎症,是骨关节炎疼痛的主要治疗方法,但实际上没有任何方法可以预防这种使人衰弱的关节炎患者的关节受到损害。”博士,Mildred B. Simon骨外科教授。“我们已经开发了一个新的研究领域,称为机械遗传学,我们可以在其中工程化软骨 细胞以响应关节的机械负荷。每当细胞受到这种压力时,它们都会产生一种抗炎的生物药物来减轻炎症和限制与关节炎有关的损害。”

华盛顿大学再生医学中心联合主任,圣史纳斯儿童医院研究总监吉拉克(Guilak)和他的团队一起。路易斯首先在实验室中进行实验,使用猪的软骨细胞来弄清楚这些细胞在受到机械压力时的感受。

共同第一作者罗伯特·J·尼姆斯(Robert J. Nims)说:“在实验室研究这些细胞,我们能够确定细胞中的关键途径,这些途径可以响应负荷和机械负荷激活的软骨基因回路。” D.,Guilak实验室的博士后研究员。

就像智能手机上的触摸传感器一样,软骨细胞会在施加压力时进行感应,与关节炎过度应激相关的炎症会导致软骨分解。然而,在这些实验中发育的细胞通过分泌一种阻止软骨损伤的抗炎药来应对这种压力。

吉拉克说:“我们改变了细胞中的DNA片段,以告诉它们在感觉到负荷时做不同于正常的事情。” “也就是说,要制造一种抗关节炎药物。”

共同第一作者,Guilak实验室的生物医学工程师兼研究生研究助理Lara Pferdehirt说:“这就像打开灯一样。” “带灯,你打开一个开关,一个灯泡打开。但是在这种情况下,开关是关节的机械负载,而灯泡是消炎药。”

这些细胞经过改造后可以释放白介素1受体拮抗剂-一种称为anakinra(Kineret)的药物,该药物可用于治疗类风湿性关节炎,并有望治疗关节损伤后发生的创伤后骨关节炎。先前在骨关节炎患者中对该药物的研究表明,仅一次注射到关节中,该药物是安全的,但无效。Guilak认为这是因为要发挥良好的作用,必须在发生机械负荷的同时,在关节炎的关节中释放更长的时间。

他说:“这种药物除非连续多年交付,否则似乎无法起作用,这可能就是为什么它在涉及骨关节炎患者的临床试验中效果不佳的原因。” “在实验室细胞的实验中,我们在工程化的软骨细胞中使用了现有的信号系统,以便它们可以在需要时释放药物。在这里,我们正在使用合成生物学方法来创建一种可以编程的人工细胞类型回应我们希望它回应的内容。”

除了减少在关节炎关节的炎症,具有特定软骨细胞递送药物,只有当和在需要的地方应使之有可能避免副作用长期递送的较强的抗炎药物与整个身体相关联。这些副作用可能包括胃痛,腹泻,疲劳和脱发。

Guilak的团队计划使用相同的技术来改变其他类型的细胞,从而制造出不同的药物。

吉拉克说:“我们可以创造出能够自动产生止痛药,抗炎药或生长因子的细胞,从而使软骨再生。” “我们认为这种策略可能是一个框架,用于做我们可能需要做的事情,以编程细胞来响应各种医学问题而提供治疗。”

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