骨骼通常具有複雜而精細的形狀，因此很難為遭受損傷、疾病或先天缺陷的患者找到匹配的天然替代品。現在，研究人員已經培育出與所需骨骼形狀完全一致的骨移植物，這項進展可能有助於為醫生提供面部、顱骨和其他骨骼重建所需的材料。
哥倫比亞大學的生物工程師戈爾達娜·武尼亞克-諾瓦科維奇解釋說，雖然缺失的骨骼可以用鈦金屬替代，“但對於丟失的組織來說，沒有比活組織更好的替代品了”。“雖然鈦金屬比沒有強——你需要一些東西來幫助承受負荷——但真正的骨骼內部也有骨髓，骨髓具有許多重要的代謝功能。”
患者也可以依靠捐贈的骨骼，但這存在汙染和組織排斥的風險。或者，外科醫生可以從患者身體的其他部位獲取骨骼，並將其雕刻成所需的形狀來使用，“但這對患者來說非常痛苦，”武尼亞克-諾瓦科維奇說。“獲取部位的損傷很大，組織再生需要很長時間，而且患者通常報告說，獲取部位的疼痛感比植入物本身更強烈、持續時間更長。”
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相反，生物工程師沃倫·格雷森與武尼亞克-諾瓦科維奇及其同事一起培育了自己的移植物。他們從顳下頜關節開始，該關節位於耳朵前方下巴與顱骨相交的地方。“根據我們諮詢的外科醫生的說法，這是我們能想到的最大挑戰，也是顱骨中最複雜的部位，就形狀而言，”她說。“如果我們能培育出這個部位，我們認為我們就能培育出任何部位。”
武尼亞克-諾瓦科維奇補充說，顳下頜關節（TMJ）也越來越具有臨床相關性。大約四分之一的人口經歷過與顳下頜關節有關的疾病症狀，例如咀嚼肌肉疼痛和頜骨僵硬，以及關節中疼痛的咔噠聲、爆裂聲或摩擦聲。
研究人員首先使用真正的骨骼作為支架——“我們知道真正的骨骼是理想的，因為它們在現實生活中有效，”武尼亞克-諾瓦科維奇說。他們用洗滌劑和酶去除了小牛膝關節的所有細胞，然後根據一位匿名患者的數字化X射線影像，用機器將它們雕刻成釐米立方大小的人類頜關節。
接下來，他們在每個支架上播種了三百萬個市售的人類間充質幹細胞，這些幹細胞可以分化為骨骼、軟骨、脂肪和其他組織。細胞排列在支架的孔隙中，並在生物反應器中定期用營養物質、生長因子和氧氣流進行餵養。這種灌注的模式和速率指導著骨骼結構的生長，就像體內血液的作用一樣，並且這種流動為細胞提供的物理刺激對於適當的生長至關重要。
武尼亞克-諾瓦科維奇說：“如果你使用沒有這種灌注的傳統組織培養技術，你最終會得到類似 M&M 豆的東西——[一個關節]表面健康，但內部是死的。”
經過五週的培養，細胞數量增加了多達75倍，研究人員觀察到功能性骨組織形成。“這是一項傑出的工作——他們能夠實現他們需要的精確形狀，這令人印象深刻，”波士頓布萊根婦女醫院組織工程和再生醫學實驗室主任查爾斯·瓦坎蒂說，他沒有參與這項研究。
其他研究團隊曾嘗試開發這種關節的替代品，但只能開發出簡單或不精確的形狀，或者在小鼠體內培養骨組織，這種概念對於研究目的來說效果很好，但不適用於人類應用，因為來自小鼠身體的細胞和分子可能會汙染植入物，並且只能生長非常小的骨骼。
武尼亞克-諾瓦科維奇說：“這是第一塊解剖學形狀的、完全可存活的人骨。”“重要的是它必須完全可存活——否則，不僅細胞可能在移植物中心死亡，而且它們還會向剩餘的健康細胞釋放不良訊號，引發‘凋亡級聯反應’，本質上是在說，‘條件太糟糕了，我們自殺吧。’”
研究人員展望未來，希望使用從患者身上提取的幹細胞來培育新骨骼。“一種潛在的來源是骨髓，我們在本研究中使用了骨髓，但也可以使用抽脂術——你可以從身體中取出脂肪，去除脂肪細胞，然後你就剩下很好的未成熟間充質幹細胞，而且數量比骨髓中的多得多，”武尼亞克-諾瓦科維奇解釋道。此外，他們現在正在使用合成礦化蛋白，而不是依賴真正的骨骼作為支架，他們可以更好地塑造和控制合成礦化蛋白。
瓦坎蒂指出，一個主要的擔憂是確保骨細胞在移植物植入後能夠存活。武尼亞克-諾瓦科維奇說，研究人員目前正在確定如何在骨移植物中最好地生長血管，以保持它們的活力。
塔夫茨大學生物醫學工程系的生物工程師大衛·卡普蘭沒有參與這些發現，他稱這項工作“非常出色”，並補充說，未來的研究可能希望生物反應器能夠模擬這種骨骼在植入後將承受的相同範圍的機械力——例如，對於頜關節，“你希望它體驗到壓縮和扭轉。”
格雷森、武尼亞克-諾瓦科維奇及其同事於10月5日在《美國國家科學院院刊》線上報告了他們的發現。