金屬離子能激發神經系統修復骨骼

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究由香港大學醫學院臨床醫學學院矯形及創傷外科學系楊偉國教授和美國約翰霍普金斯大學醫學院曹旭教授共同領導,此外,研究也揭示了一個未被認識的骨內感受回路(Skeletal Interoceptive Circuit)—— 中樞神經系統藉此感受並回傳訊號至骨骼損傷區域,進而調控骨骼修復。

研究內感受

部分金屬離子如鎂離子、鋅離子和銅離子等二價正離子,已被證明在骨組織再生中具有重要價值,卻由於我們對這些二價金屬正離子促進骨骼再生的具體分子細胞學機制了解不足,限制了臨床應用。近年神經科學領域開始研究內感受(Interoception),大量研究成果為中樞神經系統控制體內狀態提供了新認知。

骨骼系統為人體最大的器官,由大量感覺神經和交感神經與中樞神經系統互相連接;而感覺神經末梢分布在骨組織中,負責識別並傳送與疼痛、溫度和機械刺激有關的信號。同時,位於下丘腦的部分核團通過調節交感神經來控制骨內穩態,然而,金屬離子通過骨內感受回路誘導骨組織再生的具體角色,目前尚未明確。

為了研究中樞神經系統在金屬離子促進骨骼修復中的角色,研究團隊將可釋放離子的水凝膠注射到小鼠骨折的股骨中。結果顯示,在金屬離子刺激下,巨噬細胞分泌的炎症因子 —— 尤其是前列腺素E2(PGE2),可作為一種激活骨組織內感覺神經的炎症信號。當感覺神經感應到PGE2受體4的炎症信號,便會將這內感受信號傳送至中樞神經系統。最後,這些信號經腦部的交感神經系統回傳到骨骼損傷區域,並修復骨折部位。

有望修復骨組織

港大醫學院和約翰霍普金斯大學團隊利用多個基因轉殖的小鼠模型來驗證,結果證明早期炎症反應和相應的神經系統感受,均是組成骨內感受回路的關鍵部分。研究亦表明,金屬離子誘導的骨骼修復過程,經交感神經,由位於中樞神經系統的腹內側下丘腦調控。

港大醫學院和約翰霍普金斯大學的研究團隊是全球首度匯報金屬離子在骨內感受回路中調節神經、促進骨再生作用的研究者。這項研究發現骨內感受參與骨骼修復過程的作用機制,為嚴重骨折、骨質疏鬆及腦損傷患者的異位性骨化等指引了全新的臨床治療方向。與傳統治療方法相比,在骨組織內直接注射金屬離子以修復骨組織,成本更低,效率更高。此外,這項研究提出以免疫 —— 神經軸干預骨骼再生的概念,也可以啟發新一代植入式生物材料的研發方向,有助進一步發揮這些二價正離子的治療潛力。3

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