神奇！科學家發明接骨黑科技，「傷筋動骨100天」或成為歷史

在武俠電視劇里，我們經常會看到這樣一個場景：男主角被打得七葷八素、五臟俱裂，得遇一高人運功療傷，幾個時辰之後，男主角又活蹦亂跳。這種療傷方法實在是讓人嚮往。

近日，來自美國雪松西奈醫療中心（Cedars-Sinai Medical Center）的Dan Gazit和Gadi Pelled教授團隊帶來的接骨重磅研究，讓我看到這種「神功」的影子。雖然沒有「運功療傷」那麼科幻，但也足以震撼人心，因為他們用的是超聲波幫助「骨不癒合」患者接骨療傷。

Dan Gazit教授（左）和Gadi Pelled教授（右）

對，就是我們做腹部B超的那個設備。他們的這一重要研究成果刊登在著名學術期刊《科學轉化醫學》雜誌上[1]。

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當然，如你所料，這件事情沒那麼簡單，僅僅依靠超聲波肯定是沒辦法幫助患者接骨的。他們是利用超聲波將特定的基因導入到患者自身的幹細胞里，促使幹細胞轉化成骨細胞，使骨不癒合患者的斷骨自行癒合。

「骨折不癒合」可以算是骨折界的「老大難」，它不僅是簡單的斷骨，而且骨折處會出現大的缺口，想「自我癒合」幾乎是不可能的。

於是他們通常要接受「骨移植」治療，但是如果是自身骨移植，那麼從患者身上取其他部位的骨頭會給患者帶來很大的痛苦；而要是採取異體骨移植呢，又有可能出現排斥。

斷成這樣，疼！

目前，全世界範圍內，每年進行骨移植的患者超過200萬，而且這一數字還在持續上漲。所以，患者們迫切地需要新方法來拯救他們。

Gazit和Pelled教授團隊接骨的過程是這樣的。首先，他們找來18頭模式豬（主要是考慮到跟人類體格類似），把它們的腿骨鋸掉1厘米。然後在豬骨折處植入了可降解的天然膠原蛋白支架填充傷口。

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用膠原蛋白支架填充傷口

這個膠原蛋白骨架主要是為了給體內的間充質幹細胞（MSCs）提供「棲息地」。而間充質幹細胞具有很強的分化能力，可以轉化成骨細胞。經過觀察，在植入支架兩周後，就有足夠多的間充質幹細胞被固定在了支架上。

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間充質幹細胞遷移到膠原蛋白支架上

然而，這個間充質幹細胞啊，它的分化方向是不確定的，它可以變成骨細胞，但是也可以變成脂肪細胞。如果一不小心變成脂肪細胞，那小豬們就多了一個「關節」了。這可不是Gazit和Pelled教授要的。他們必須讓間充質幹細胞變成骨細胞。

在分析了前人和自己之前的大量研究之後，Gazit和Pelled教授決定，把骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）基因搞到間充質幹細胞，在BMP蛋白的引導下，間充質幹細胞就可以定向地轉化成骨細胞了。

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在固定頻率的超聲波的刺激下，微泡就會隨之炸裂，在間充質幹細胞上炸出一些納米級的小孔，BMP-6基因就能順利進入細胞，去完成它偉大的使命。

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微泡在超聲波刺激下炸裂，間充質幹細胞被炸出納米級小孔，目的基因進入

Gazit和Pelled教授教授發現，約有40%的間充質幹細胞表達了BMP蛋白，80%的間充質幹細胞被誘導成了骨細胞。

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間充質幹細胞分化成骨細胞

讓研究人員驚喜的是，8周後，所有試驗豬的骨折都完全愈合了！而且修復的骨頭與接受骨移植術的骨頭一樣強韌！

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接上了，看上去更強了

這個速度簡直讓人驚嘆。俗話說得好，「傷筋動骨一百天」，可這個療法只要了56天，而且是非常難治的不癒合性骨折。

其實這個新方法也不是「一蹴而就」的，在過去的幾十年里，許多研究人員都在思考如何讓患者的骨折部位自行長出新骨頭來。他們首先將目標鎖定在了骨形態發生蛋白（BMP）上，BMP是與骨骼形成密切相關的蛋白，能夠誘導我們體內的間充質幹細胞（MSCs）分化出骨組織。

由於BMP在體內很容易被酶降解失去作用，所以研究人員只能將BMP基因轉入體內，通過表達得到BMP蛋白。過去呢，研究人員嘗試用病毒載體來搭載BMP基因，雖然這種方法在實驗室中用得太多太多了，但是一旦進入臨床，安全問題就出現了。病毒載體可能會導致較強的炎症和免疫應答，甚至引起癌症[2]。所以，BMP基因的傳遞還需要更安全方便的方法。

在2013年的時候，有研究人員發現超聲波或許是可以嘗試的一個好工具，超聲波可以在細胞膜上打出納米級的小孔，讓基因通過小孔輕鬆地進入並駐紮在細胞內[3-5]。在研究中，他們用超聲在大鼠的股骨上打孔，將BMP家族中的BMP-2和BMP-7基因轉入了骨細胞中，不過可惜的是，雖然確實有了一定量的骨組織再生，但是這個量仍然不足以治癒骨折。

治療全過程

為什麼會出現這種情況呢？研究人員發現原來是因為骨折部位的微環境太複雜，BMP-2和BMP-7置身其中的成骨潛能太低。

為了解決這個問題，Gazit團隊的研究人員只能繼續尋找潛能高的基因，在這次的新研究中，他們發現BMP-6無論是在體內還是體外都比BMP-2/7的能力更強！

於是，研究人員用BMP-6基因進行了研究，得到的結果正是我們前面所提到的：8周後，所有試驗豬的骨折完全癒合！

Gazit教授指出，他們的方法只需要進行微創手術，侵入性極低，而且既不需要外源性幹細胞，也不需要骨移植，因此患者在治療期間的感受會「平和」很多，也幾乎不會出現什麼副作用。總的來說，這個新辦法安全地促進了全骨癒合，足以與金標準的移植相「媲美」。

研究人員還表示，隨著進一步發展，將來他們的「治療系統」還可能被用於許多不同的組織工程醫學。

不過，質疑的聲音也同樣存在。德州大學休斯頓健康科學中心（UTHealth）麥戈文醫學院的矯形外科教授Johnny Huard說，這項研究的結果只是我們推動這個領域向前邁進的一步。

他還指出，研究中使用的豬都在1歲以下，屬於「年輕豬」，但實際上，年輕的動物和人比老年的有更多的MSCs，在骨折癒合方面有天然優勢，而在臨床上，老年人的骨折不癒合比年輕人要常見的多。所以Huard建議，在這種方法進入臨床前，首先要在老年動物身上進行實驗，觀察效果究竟如何。

當然，如果後續研究在老年動物中獲得了成功，那麼臨床試驗似乎也是「指日可待」的了，相信有很多人能夠從中受益。希望奇點糕在老了之後，能有這個新方法「保駕護航」！

參考資料

[1] Bez M, Sheyn D, Tawackoli W, et al. In situ bone tissue engineering via ultrasound-mediated gene delivery to endogenous progenitor cells in mini-pigs[J]. Science Translational Medicine, 2017, 9(390): eaal3128.

[2] D. Trono, Gene therapy: Too much splice can spoil the dish. J. Clin. Invest. 122, 1600–1602 (2012).

[3] G. Shapiro, A. W. Wong, M. Bez, F. Yang, S. Tam, L. Even, D. Sheyn, S. Ben-David, W. Tawackoli, G. Pelled, K. W. Ferrara, D. Gazit, Multiparameter evaluation of in vivo gene delivery using ultrasound-guided, microbubble-enhanced sonoporation. J. Control. Release 223, 157–164 (2016).

[4] M. Endoh, N. Koibuchi, M. Sato, R. Morishita, T. Kanzaki, Y. Murata, Y. Kaneda, Fetal gene transfer by intrauterine injection with microbubble-enhanced ultrasound. Mol. Ther. 5, 501–508 (2002).

[5] Y. Taniyama, K. Tachibana, K. Hiraoka, M. Aoki, S. Yamamoto, K. Matsumoto, T. Nakamura, T. Ogihara, Y. Kaneda, R. Morishita, Development of safe and efficient novel nonviral gene transfer using ultrasound: Enhancement of transfection efficiency of naked plasmid DNA in skeletal muscle. Gene Ther.

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