Этот тип каркасов с покрытием может значительно улучшить существующие стандарты лечения костных травм, которые включают трансплантацию кости из другой части тела пациента — болезненный процесс, который не всегда обеспечивает достаточное количество костной ткани. Пациенты с тяжелыми травмами костей, например, солдаты, раненые в бою; люди, страдающие врожденными дефектами костей, такими как черепно-челюстно-лицевые заболевания; По словам исследователей, пациенты, нуждающиеся в увеличении костной ткани перед установкой зубных имплантатов, могут извлечь выгоду из нового тканевого каркаса.
«Это была действительно сложная медицинская проблема, и мы попытались найти способ ее решения», — говорит Нисарг Шах, недавно получивший докторскую степень и ведущий автор статьи, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences. неделя.Паула Хаммонд, профессор Дэвида Х. Коха в области инженерии и член Института комплексных исследований рака Коха при Массачусетском технологическом институте и факультета химической инженерии, является старшим автором статьи. Другими авторами являются постдоки М. Насим Хайдер и Мохиуддин Квадир, аспирант Ноэми-Мануэль Дорваль Курчесн, Говард Зеерман из Реституо, Майрон Невинс из Гарвардской школы стоматологической медицины и Майрон Спектор из Бригама и женской больницы.Стимулирование роста костей
Двумя наиболее важными факторами роста костей являются фактор роста тромбоцитов (PDGF) и костный морфогенетический белок 2 (BMP-2). Как часть естественного каскада заживления ран, PDGF является одним из первых факторов, высвобождаемых сразу после повреждения кости, например перелома. После появления PDGF другие факторы, в том числе BMP-2, помогают создать правильную среду для регенерации кости путем привлечения клеток, которые могут производить кость, и формирования поддерживающей структуры, включая кровеносные сосуды.
Усилия по лечению травм костей с помощью этих факторов роста были затруднены из-за неспособности эффективно доставлять их контролируемым образом. Когда очень большое количество факторов роста доставляется слишком быстро, они быстро выводятся из места лечения, поэтому они оказывают меньшее влияние на восстановление тканей, а также могут вызывать нежелательные побочные эффекты.«Вы хотите, чтобы фактор роста высвобождался очень медленно и в количествах в нанограммах или микрограммах, а не в миллиграммах», — говорит Хаммонд. «Вы хотите задействовать эти естественные взрослые стволовые клетки, которые есть в нашем костном мозге, чтобы добраться до места повреждения, а затем образовать кость вокруг каркаса, и вы хотите создать сосудистую систему, которая будет работать вместе с этим».
Этот процесс требует времени, поэтому в идеале факторы роста будут высвобождаться медленно, в течение нескольких дней или недель. Для этого команда Массачусетского технологического института создала очень тонкий пористый лист каркаса, покрытый слоями PDGF и BMP. Используя метод, называемый послойной сборкой, они сначала покрыли лист примерно 40 слоями BMP-2; поверх этого еще 40 слоев PDGF.
Это позволяло высвобождать PDGF быстрее, а также более длительное высвобождение BMP-2, имитируя аспекты естественного заживления.«Это главное преимущество тканевой инженерии костей, потому что высвобождение сигнальных белков должно быть медленным и должно быть запланировано», — говорит Николас Котов, профессор химической инженерии в Мичиганском университете, не входивший в исследовательский центр.
Исследовательская команда.Лист каркаса имеет толщину около 0,1 миллиметра; После нанесения покрытий фактора роста каркасы могут быть вырезаны из листа по требованию и в подходящем размере для имплантации в травму или дефект кости.
Эффективный ремонтИсследователи протестировали каркас на крысах с достаточно большим дефектом черепа — 8 миллиметров в диаметре, — который не мог зажить самостоятельно. После имплантации каркаса факторы роста высвобождались с разной скоростью. PDGF, высвобождаемый в течение первых нескольких дней после имплантации, помог запустить каскад заживления ран и мобилизовать различные клетки-предшественники в место раны.
Эти клетки отвечают за формирование новой ткани, включая кровеносные сосуды, поддерживающие сосудистые структуры и кости.BMP, высвобождаемый более медленно, затем заставлял некоторые из этих незрелых клеток становиться остеобластами, которые производят кость.
Когда оба фактора роста использовались вместе, эти клетки образовали слой кости уже через две недели после операции, который был неотличим от натуральной кости по внешнему виду и механическим свойствам, говорят исследователи.«Использование этой комбинации позволяет нам не только в первую очередь ускорить пролиферацию, но также способствует формированию сосудистой ткани, которая обеспечивает путь стволовым клеткам, остеобластам-предшественникам и другим игрокам, чтобы они могли войти и выполнить свою работу. с очень однородной системой исцеления », — говорит Хаммонд.
Еще одним преимуществом этого подхода является то, что каркас является биоразлагаемым и разрушается внутри тела в течение нескольких недель. Материал каркаса, полимер под названием PLGA, широко используется в лечении и может быть настроен на распад с определенной скоростью, поэтому исследователи могут спроектировать его так, чтобы он прослужил ровно столько, сколько необходимо.
Команда Хаммонда подала патент, основанный на этой работе, и теперь стремится начать тестирование системы на более крупных животных в надежде, что в конечном итоге она будет перенесена в клинические испытания.Это исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения.