俗話說，傷筋動骨一百天，也就是說，一旦發生骨折，人可能需要100多天才能恢復，因為需要時間給骨組織重新去粘合，以及相關肌肉的功能恢復。如此長的時間對于患者的生活帶來諸多不便。目前，已有研究利用人骨骼干細胞（hSSCs）的細胞治療進行骨修復，但是細胞的存活率很低，想要克服該問題，則需要了解調節hSSC功能的機制。
調節hSSC功能的機制
hSSC的自我更新取決于外部信號，例如Wnt蛋白家族。由于脂化作用，疏水性Wnt蛋白通常會局部分泌并呈遞至反應性細胞的一側。因此，Wnt /β-catenin信號被激活，導致β-catenin易位進入細胞核，啟動Wnt介導的轉錄程序。總的來說就是，想要實現hSSC的長期自我更新，就需要激活Wnt /β-catenin途徑。
前期工作
來自英國倫敦國王學院的Shukry J. Habib多年致力于開發Wnt3a共結合到材料上的平臺用于激活干細胞中的Wnt /β-catenin途徑，以促進長期自我更新。如2013年發表在Science上的研究表明Wnt3a結合在微珠上對細胞命運進行觀察。然后，他們還在1型膠原蛋白凝膠進行3D培養，7天內形成了一個有組織的3D Wnt誘導的人類成骨組織模型（WIOTM）。
成果簡介
近日，該課題組將該模型繼續深化研究。Shukry J. Habib等人開發了一種繃帶生物材料用于體內移植WIOTM，該繃帶被蛋白Wnt（用于全身的生長和修復）包裹，它可以像石膏一樣粘在骨折上，增強骨骼的自然愈合能力，從而加快修復過程。該研究描述了在生物材料上生長的干細胞和成熟的骨細胞，其結構模擬了健康骨骼的各個部分。該技術是首次在實驗室里用人骨干細胞構建骨樣組織，并成功移植到骨缺損處，啟動并加速骨修復。成果發表于Nature Materials上。
該突破可能會使嚴重骨折的患者的恢復時間發生巨大變化，且有望會減少并發癥、感染以及嚴重傷害的不良后果。嚴重骨折的愈合過程可能很緩慢，甚至可能在脆弱的患者（如老年人或具有基本健康狀況的患者）中失敗，因為目前修復骨骼的方法大部分需要依靠自身的康復能力來修復骨折。
WIOTM形成的分子機制
首先，研究人員旨在了解WIOTM形成的潛在分子機制，經觀察發現，在垂直劃分的Wnt反應性hSSC中，局部Wnt3a會使aPKCζ，APC和β-catenin極化。而且，局部化的Wnt3a蛋白驅動hSSC的不對稱細胞分裂（ACD）生成WIOTM，在3D矩陣中易于產生成骨細胞的分化中產生一個Wnt3a-近端hSSC和一個Wnt3a-遠端細胞。
圖|局部Wnt3a定向于hSSC中的分裂，并誘導Wnt /β-catenin途徑組分的不對稱分布
使用生物材料移植WIOTM
下面，研究人員旨在研究WIOTM是否可以在體內存活并重構骨膜的各個方面，即長期干細胞維持和成熟骨細胞形成。
為了在體內移植WIOTM，研究人員設計了可以保留移植細胞的Wnt3a結合生物相容性繃帶。使用了臨床認可的聚己內酯（PCL）聚合物膜，并用氧等離子體處理了支架表面，然后與氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）一起孵育。然后，Wnt3a蛋白通過戊二醛鍵合共價結合到胺基上。
圖|用繃帶愈合的過程(圖自KCL官網)
促進臨界尺寸骨缺損的骨修復
在臨界尺寸的顱骨缺損的模型中，在8周后，Wnt3a繃帶覆蓋的缺損部位顯示出明顯的新生骨形成，而WIOTM繃帶則顯示出更多的骨形成。在用Wnt3a繃帶和WIOTM繃帶處理的缺損中，新形成的骨頭既出現在缺損部位的中部，又直接與缺損邊緣相連，這表明在修復過程中新舊骨的融合再生。還檢測到新形成的骨骼內的血管。
此外，WIOTM植入物即使在體內8周后仍能保持靠近繃帶的干細胞標志物的表達，并產生成熟的骨細胞。重要的是，通過GFP陽性染色，在Wnt3a繃帶附近對人細胞標記呈陽性的細胞中有64％顯示出Wnt /β-catenin途徑活性。
圖|Wnt3a和WIOTM繃帶在修復臨界尺寸骨缺損中的體內功能評估
優勢所在
在創傷后的重建手術中，老年人和患有骨質疏松和癌癥等合并癥的骨缺損的內源性修復不足，治療需要供體組織。WIOTM繃帶很可能為解決這一未滿足的臨床需求鋪平道路。
該研究對目前的骨修復方法進行了補充，同時具有幾個關鍵優勢。
1）首先，在Wnt3a繃帶中，以納克水平提供Wnt蛋白。避免了超生理劑量引起的嚴重的繼發作用。
2）其次，已經證明了在具有愈合能力差的小鼠模型中改善了骨修復。
3）第三，新形成的骨骼類似于健康的骨骼。
4）最后，由于PCL在體內可以保持完整的幾年并且沒有被整合到成形骨中，因此，如果需要，可以在修復完成后將其移除。或者，對于需要更快降解的應用，可以使用其他生物相容性材料固定Wnt3a以進行體內遞送。
該研究在許多方面都是獨一無二的。
1）在體外，WIOTM可在單細胞和組織水平上提供人類骨細胞生成的時空分辨率，并具有潛在的藥物篩選應用。
2）在體內，無細胞Wnt3a繃帶可以促進關鍵尺寸骨缺損的內源性愈合。WIOTM可以在此繃帶上生成，通過將人類干細胞和成骨細胞保持在損傷部位來進一步加速骨骼修復。
3）固定化Wnt方法的進一步發展，包括支架類型，細胞數量的優化和其他成骨因子的納入，可能將骨骼修復提高到更高的程度。
Wnt3a繃帶和WIOTM繃帶均具有作為臨床可轉化的潛力。WIO3a繃帶和WIOTM的3D細胞概念將超越成骨領域，并擴展到其他Wnt響應型組織和干細胞巢的再生中。
參考文獻：
1. Okuchi, Y., et al. Wnt-modified materials mediate asymmetric stem cell division to direct human osteogenic tissue formation for bone repair. Nat. Mater. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0786-5
2. https://www.kcl.ac.uk/news/bandage-developed-to-rebuild-broken-bone
