首次成功地将生物工程化的椎间盘植入并在有史以来最大的动物模型中提供长期功能。
宾夕法尼亚大学医学部在《科学转化医学》上发表的一项新研究表明，有充分的证据表明患有颈部和背部疼痛的患者细胞可用于在实验室中改造新的椎间盘，以替换受损的椎间盘。 这项针对山羊的研究由宾夕法尼亚大学医学系，工程与应用科学学院和兽医学院的一个跨学科团队进行。
诸如转动头部或系鞋带之类的动作需要脊柱中的软组织，椎间盘。 但是，美国约有一半的成年人患有背部或颈部疼痛，对他们的治疗和护理给社会造成了严重的经济负担-每年约1,950亿美元。 虽然椎间盘的破坏通常与这种疼痛有关，但破坏的主要原因仍不清楚。 包括脊柱外科手术和机械置换植入物在内的现代方法可提供对症治疗，但它们无法恢复天然椎间盘的结构，功能和运动范围，并且通常效果有限。 因此，需要新的治疗方法。
组织工程学具有广阔的前景。 它涉及在实验室中将患者或动物自身的干细胞与生物材料支架相结合，以构建复杂的结构，然后将其作为替换盘植入脊柱。 在过去的15年中，宾夕法尼亚大学的研究小组使用组织工程学开发了一种生物工程光盘，从基础的体外研究到小型动物模型和大型动物模型，都侧重于人体试验。
“这是重要的一步：在实验室中生长这么大的磁盘，将其放置在磁盘空间中，然后使其与周围的天然组织整合。 宾夕法尼亚州佩雷尔曼医学院骨科手术教育和研究教授，费城迈克尔·克雷森兹·弗吉尼亚医疗中心（CMC VAMC）的研究员，该出版物的主要作者罗伯特·L·莫克说，这是非常有希望的。 “目前的疗法实际上并不能修复椎间盘，因此我们希望通过这种发达的植入物，我们将以生物学的，功能性的方式替代它，并恢复整个运动范围。”
该研究小组过去的研究成功地表明，它们的生物工程化椎间盘在大鼠尾巴中整合了五种，它们被称为“椎间盘状角层结构”（DAPS）。 这项最新研究将大鼠的这一时期延长至20周-但使用了称为终板修饰的DAPS或eDAPS的更新椎间盘来模仿天然脊髓节段的结构。 端板的添加有助于保留工程结构并促进其整合到天然组织中。
MRI以及组织学，机械和生化分析表明，eDAPS可以恢复大鼠模型的天然盘结构，生物学和机械功能。 在此成功的基础上，研究人员随后将eDAPS植入山羊的颈椎。 他们之所以选择山羊，是因为其颈椎间盘的尺寸与人类的相似，并且山羊具有半立的身材。
研究人员显示，在颈山羊中成功完成了椎间盘置换。 一个月后，作为eDAPS的一部分，基质的分布得以维持或改善。 MRI的结果还表明，椎间盘的组成在八周后得以保持或得到改善，其机械性能相当于或超过了天然山羊椎间盘。
佩雷尔曼医学院骨科外科和神经外科助理教授哈维·史密斯（Harvey E. Smith）博士说：“我认为我们已经从老鼠的尾巴变成了人体大小的植入物，这真是太好了。” CMC VAMC的专职外科医生，以及资深研究员和临床研究主管。 “当您查看有关机械设备的文献中的成功时，我相信有很好的理由感到乐观，如果我们不使用生物工程光盘来取得成功，我们也可以取得同样的成功。”
研究团队将这项工作的成功与他们从一开始就在宾夕法尼亚州使用的多学科和翻译方法联系在一起，那里有来自各个部门和学校的许多专家都参与了该项目。
“从基础研究到临床医生，我们都使用了Penn领导的所有不同方向。 研究作者托马斯·P·舍尔（Thomas P. Schaer）说：“我们拥有一个不可思议的网络，可用于这项研究和其他研究”，宾夕法尼亚州新博尔顿大学兽医学院VMD主任，转化骨科研究和临床前研究主任中心 “并不是每个学术机构都拥有这样一个联合的生态系统，当我们开始这项研究并随着时间的推移为它提供支持时，这对我们来说是一个巨大的优势。”
该团队还包括第一作者，佩恩整形外科的骨科研究人员Sarah Gulbrand和下士迈克尔·克雷森兹VA医疗中心的转化型肌肉骨骼研究中心，拉克兰·史密斯（Lachlan Smith），佩恩的神经外科和整形外科部门的成员以及Dawn M. Elliott，前研究员。佩纳（Penna），现为特拉华大学生物医学工程系系主任。
这组作者说，下一步将是对山羊模型中的eDAPS功能进行长期测试，并对人类椎间盘的破坏进行建模，并测试在这种情况下它们的生物工程化光盘如何工作。
“建议植入由您自己的细胞组成的生物组织，”史密斯说。 “真正的组织替代植入物在假体修复中的使用-我们在骨科中还没有做到这一点。 我相信这将是我们如何治疗脊椎疾病以及如何重建关节的范式转变。”