Больные колени? Решение микроструктуры мениска может улучшить лечение

Коленный мениск — это кусок хряща между костями ног, который смягчает и стабилизирует сустав, защищая кости от износа. В исследованиях образцов от коров и людей биоинженеры, финансируемые Национальным институтом биомедицинской визуализации и биоинженерии, идентифицировали небольшие участки неволокнистых «островков», известных как микродомены в фиброзно-хрящевой ткани коленного сустава, которая составляет мениск. Образцы от старых животных и людей постоянно имели более крупные микродомены. Открытие открывает путь к более детальному изучению микроструктуры фиброзного хряща и того, как изменения на клеточном и молекулярном уровнях способствуют ортопедическому здоровью и заболеваниям.

«Это впечатляющая и важная работа», — говорит Розмари Хунцикер, доктор философии.D., Директор программы NIBIB в области тканевой инженерии и регенеративной медицины "как в фундаментальном открытии, так и в том факте, что они быстро построили модель для его изучения."Об открытии исследователями из Университета Делавэра и Университета Пенсильвании и последующем развитии биоинженерной модели ткани сообщается в выпуске журнала Nature Materials от 4 января.
Неволокнистые участки микродоменов растут с возрастом и механическими нагрузками
Группа исследовала образцы ткани коленного сустава коровы от развития плода до взрослой жизни.

Микродомены, вкрапленные в хрящевую ткань мениска, присутствовали на стадии плода в образцах коров и увеличивались в размере, но не в количестве, по мере увеличения возраста животного. Исследования образцов на людях выявили такую ​​же корреляцию между пожилым возрастом и увеличением размера микродоменов.

Помимо увеличения микродоменов с возрастом, у людей-доноров с более высоким индексом массы тела также увеличился размер микродоменов. «Взятые вместе эти наблюдения позволяют предположить, что увеличение размера микродоменов может быть адаптивной реакцией на то, чтобы справляться с увеличивающейся механической нагрузкой, накапливающейся с течением времени, или повышенным давлением на мениск у более тяжелых людей», — объясняет Дон Эллиотт, доктор философии.D. заведующий кафедрой биомедицинской инженерии Университета Делавэра и соавтор исследования. «Важный вопрос, который у нас сразу возник, заключался в том, можно ли довести такую ​​адаптацию до такой степени, чтобы она также могла привести к нарушению функции фиброзно-хрящевой ткани коленного сустава."
Изучение структуры и функций на микроуровне

Исследования клеток в богатых клетчаткой областях ткани и в микродоменах выявили тип информации, которую ищет команда: критическое механо-чувствительное различие между гибкими волокнами и негибкими микродоменами. «Произошло отчетливое изменение в передаче сигналов кальция в ответ на растяжение и повышенную механическую нагрузку в клетках в волокнистой части ткани», — объясняет Роберт Л. Маук, доктор философии.D., Отделение ортопедической хирургии и биоинженерии Пенсильванского университета и соавтор исследования, «но в клетках неволокнистых микродоменов уровень кальция оставался неизменным — эти клетки не реагировали на растяжение или повышенную механическую нагрузку."

Маук объясняет, что движение кальция внутрь и из клеток в ответ на растяжение ткани является сигналом для клеток, чтобы активировать гены и процессы, которые вызывают регенерацию и ремоделирование ткани. И наоборот, отсутствие такого ответа в микродоменах добавило доказательств к теории о том, что микродомены могут способствовать нарушению функции, поскольку коленный мениск с более крупными микродоменами может потерпеть неудачу в попытке восстановить себя в ответ на стресс.
Создание тканеинженерных конструкций для углубленного изучения и экспериментов
Для более детального изучения характеристик, наблюдаемых в образцах мениска, группа исследователей сконструировала фиброзный хрящ коленного сустава в лаборатории.

Они назвали свои лабораторные конструкции из гетерогенной ткани из фиброзного хряща коленного сустава или (hetTEC). «Гетерогенный» относится к тому факту, что полученная в лаборатории ткань содержала два элемента, наблюдаемых в нативной ткани: волокнистые домены, перемежающиеся с островками неволокнистых микродоменов.
Маук подчеркивает, как разный опыт и взгляды исследовательской группы сделали возможным создание hetTEC. "Доктор. Работа Эллиотта в области механики тканей, по сути, детализация, чтобы выявить структуру ткани на микроуровне, дает мне детали, которые мне нужны как ученому в области биоматериалов и тканевой инженерии, чтобы построить точную модель тканевой инженерии с нуля."

Обширное тестирование hetTECs продемонстрировало, что они точно имитируют характеристики нативной ткани, включая кальциевый ответ на стресс в фиброзных областях и отсутствие реакции клеток в микродоменах. Команда с энтузиазмом использует биоинженерные hetTEC, чтобы ответить на вопросы о том, как микроструктурные детали связаны с функцией фиброзного хряща коленного сустава.

Маук объясняет полезность hetTEC. «Теперь у нас есть платформа in vitro для контролируемого изучения механобиологии ткани колена в лаборатории. Например, мы можем обнаружить, что микродомены необходимы для правильного развития фиброзного хряща у эмбриона, но затем становятся пагубными для стареющих животных.

Сейчас мы проводим тесты, которые помогут нам разгадать механические детали того, как структура соотносится с функцией "
Но возвращаясь к больным коленям, хотя они осторожно относятся к обвинению микродоменов в дегенерации фиброхрящевой ткани без более обширного тестирования, команда признает мощный потенциал их конструкций hetTEC для выявления болезненных процессов на микроуровне и последующего тестирования потенциальных методов лечения, которые обращают вспять или останавливают болезненный процесс. В заключение Маук говорит: «В конечном итоге мы работаем над тем, чтобы использовать этот тип инженерной модели для разработки новых методов лечения больных колен, а также других типов соединительных тканей."

Портал обо всем