Nowy materiał opracowany przez Northwestern University wykazuje potencjał regeneracji wysokiej jakości chrząstki, dając nadzieję na lepsze leczenie urazów stawów i chorób, takich jak choroba zwyrodnieniowa stawów.
Naukowcy z Uniwersytet Północno-Zachodni opracowali bioaktywny materiał zdolny do regeneracji wysokiej jakości chrząstki w stawach kolanowych.
Ten nowy materiał, który ściśle naśladuje naturalne środowisko chrząstki, wykazał obiecujące wyniki na modelach zwierzęcych, potencjalnie zmniejszając potrzebę operacji wymiany stawu kolanowego i poprawiając leczenie schorzeń takich jak choroba zwyrodnieniowa stawów i kontuzje sportowe.
Innowacyjna Regeneracja Chrząstki
Naukowcy z Northwestern University opracowali nowy bioaktywny materiał, który skutecznie regenerował wysokiej jakości chrząstkę w stawach kolanowych modelu dużego zwierzęcia.
Chociaż materiał wygląda jak gumowata maź, w rzeczywistości jest to złożona sieć składników molekularnych, które współpracują ze sobą, naśladując naturalne środowisko chrząstki w organizmie.
W nowym badaniu naukowcy zastosowali materiał na uszkodzoną chrząstkę w stawach kolanowych zwierząt. W ciągu zaledwie sześciu miesięcy naukowcy zaobserwowali dowody wzmożonej naprawy, w tym wzrost nowej chrząstki zawierającej naturalne biopolimery (kolagen II i proteoglikany), które zapewniają bezbolesną odporność mechaniczną stawów.
Zdjęcie mikroskopowe nowego biomateriału. Nanowłókna są różowe; kwas hialuronowy jest pokazany na fioletowo. Źródło: Samuel I. Stupp/Northwestern University
Potencjalny wpływ na zdrowie stawów
Naukowcy twierdzą, że przy większej liczbie prac nowy materiał będzie mógł pewnego dnia potencjalnie zostać wykorzystany do zapobiegania operacjom całkowitej wymiany stawu kolanowego, leczenia chorób zwyrodnieniowych, takich jak choroba zwyrodnieniowa stawów, oraz leczenia urazów sportowych, takich jak zerwania więzadła krzyżowego przedniego (ACL).
Wyniki badania zostaną opublikowane w tygodniu rozpoczynającym się 5 sierpnia w Proceedings of the National Academy of Sciences.
„Chrząstka jest kluczowym elementem naszych stawów” – powiedział Samuel I. Stupp z Northwestern, który kierował badaniem. „Kiedy z biegiem czasu chrząstka ulega uszkodzeniu lub rozpadowi, może to mieć ogromny wpływ na ogólny stan zdrowia i mobilność ludzi. Problem polega na tym, że u dorosłych ludzi chrząstka nie ma wrodzonej zdolności do gojenia. Nasza nowa terapia może wywołać naprawę w tkance, która nie regeneruje się naturalnie. Uważamy, że nasze leczenie mogłoby pomóc w zaspokojeniu poważnej, niezaspokojonej potrzeby klinicznej”.
Chrząstka kontrolna (barwiona safraniną) pokazana z defektem w lewym górnym rogu zdjęcia. Źródło: Samuel I. Stupp/Northwestern University
Na leczonej chrząstce (wybarwionej safraniną) ubytek był wypełniony. Źródło: Samuel I. Stupp/Northwestern University
Stupp, pionier nanomedycyny regeneracyjnej, jest profesorem rady nadzorczej nauk o materiałach i inżynierii, chemii, medycyny i inżynierii biomedycznej w Northwestern, gdzie jest dyrektorem-założycielem Instytutu BioNanotechnologii Simpson Querrey i powiązanego z nim centrum, Centrum Nanomedycyny Regeneracyjnej. Stupp pracuje w McCormick School of Engineering, Weinberg College of Arts and Sciences oraz Feinberg School of Medicine. Jacob Lewis, były doktorant student w laboratorium Stuppa, jest pierwszym autorem pracy.
Wyjaśnienie składników bioaktywnych
Nowe badanie podąża za ostatnio opublikowaną pracą z laboratorium Stupp, w którym zespół wykorzystał „tańczące cząsteczki” do aktywacji ludzkich komórek chrząstki w celu pobudzenia produkcji białek budujących macierz tkankową. Zamiast wykorzystywać tańczące cząsteczki, w nowym badaniu ocenia się biomateriał hybrydowy również opracowany w laboratorium Stuppa. Nowy biomateriał składa się z dwóch składników: bioaktywnego peptydu, który wiąże się z transformującym czynnikiem wzrostu beta-1 (TGFb-1) – białkiem niezbędnym do wzrostu i utrzymania chrząstki – oraz modyfikowanego kwasu hialuronowego. kwasnaturalny polisacharyd występujący w chrząstce i mazi stawowej nawilżającej stawy.
„Wiele osób zna kwas hialuronowy, ponieważ jest popularnym składnikiem produktów do pielęgnacji skóry” – powiedział Stupp. „Występuje również naturalnie w wielu tkankach ludzkiego ciała, w tym w stawach i mózgu. Wybraliśmy go, ponieważ przypomina naturalne polimery występujące w chrząstce.”
Zespół Stuppa zintegrował bioaktywny peptyd i chemicznie modyfikowane cząsteczki kwasu hialuronowego, aby pobudzić samoorganizację nanoskala włókna w wiązki imitujące naturalną architekturę chrząstki. Celem było stworzenie atrakcyjnego rusztowania dla własnych komórek organizmu do regeneracji tkanki chrzęstnej. Wykorzystując bioaktywne sygnały we włóknach w skali nano, materiał pobudza naprawę chrząstki przez komórki zamieszkujące rusztowanie.
Testy kliniczne i przyszłe zastosowania
Aby ocenić skuteczność materiału we wspomaganiu wzrostu chrząstki, naukowcy przetestowali go na owcach z defektami chrząstki w stawie kolanowym – złożonym stawie kończyn tylnych podobnym do ludzkiego kolana. Praca ta została wykonana w laboratorium Marka Markela w Szkole Medycyny Weterynaryjnej na Uniwersytecie Wisconsin–Madison.
Według Stuppa niezbędne były testy na modelu owczym. Podobnie jak ludzie, chrząstka owcza jest uparta i niezwykle trudna do regeneracji. Kolana owiec i ludzkie kolana również mają podobieństwa pod względem obciążenia, rozmiaru i obciążeń mechanicznych.
„Badanie na modelu owcy pozwala lepiej przewidzieć, jak leczenie będzie działać u ludzi” – powiedział Stupp. „U innych mniejszych zwierząt regeneracja chrząstki zachodzi znacznie łatwiej”.
W badaniu naukowcy wstrzyknęli gęsty, przypominający pastę materiał do ubytków chrząstki, gdzie przekształcił się on w gumowatą matrycę. W miarę degradacji rusztowania nie tylko rosła nowa chrząstka, aby wypełnić ubytek, ale naprawiona tkanka była stale wyższej jakości w porównaniu z kontrolą.
Trwałe rozwiązanie
Stupp wyobraża sobie, że w przyszłości nowy materiał będzie można zastosować do stawów podczas operacji otwartych stawów lub artroskopii. Obecnym standardem opieki jest chirurgia mikrozłamań, podczas której chirurdzy tworzą drobne złamania w kości podstawowej, aby wywołać wzrost nowej chrząstki.
„Głównym problemem związanym z podejściem mikrozłamań jest to, że często skutkuje to utworzeniem chrząstki włóknistej – tej samej chrząstki w naszych uszach – w przeciwieństwie do chrząstki szklistej, która jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania stawów” – powiedział Stupp. „Dzięki regeneracji chrząstki szklistej nasze podejście powinno być bardziej odporne na zużycie, rozwiązując w dłuższej perspektywie problem słabej mobilności i bólu stawów, jednocześnie unikając konieczności rekonstrukcji stawów przy użyciu dużych elementów sprzętowych”.
Odniesienie: „Bioaktywne, supramolekularne i kowalencyjne rusztowanie polimerowe do naprawy chrząstki w modelu owcy” 5 sierpnia 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2405454121
Badanie zostało wsparte przez fundusz rodzinny Mike’a i Mary Sue Shannon na rzecz systemów bioinspirowanych i bioaktywnych materiałów do regeneracji układu mięśniowo-szkieletowego.
