«Это сложная проблема, которую нужно решить, — говорит Розмари Хунцикер, доктор философии, директор программы NIBIB по тканевой инженерии. «Одна из больших проблем в инженерии хрящевой ткани заключается в том, что после имплантации хрящ плохо интегрируется с тканью хозяина, поэтому трансплантат не« захватывает ». В этом новом подходе больше шансов на успех, потому что материалы имеют архитектуру и физические свойства, которые больше напоминают естественную ткань ».Естественная структура сустава, в котором встречаются две кости, представляет собой материал, состоящий из двух частей, состоящий из хряща и кости, называемый костно-хрящевой тканью: остео, что означает кость, и хрящевой, что означает хрящ. Этот «двухфазный» материал сочетает в себе гибкий хрящ и более жесткую кость, что позволяет суставам сгибаться и функционировать должным образом, сохраняя при этом устойчивость к нагрузке.
Существующие клинические методы лечения обычно делятся на две категории. Безоперационное лечение включает иммобилизацию и ограничение веса с постепенным прогрессированием веса и физиотерапии. Современные хирургические методы лечения включают в себя санацию (удаление поврежденного хряща и кости) или пересадку новой кости и хряща. Обе хирургические методики направлены на восстановление естественной формы и скользящей поверхности хряща.
Существующие подходы обычно успешны в облегчении боли и восстановлении некоторых функций в краткосрочной перспективе, но редко обеспечивают полное восстановление функциональной костно-хрящевой ткани в долгосрочной перспективе. В частности, частой проблемой является плохое заживление костей, разрезанных во время операции.
Исследователи из Университета Тафтса в Медфорде, штат Массачусетс, финансируемые NIBIB, и исследователи из отдела исследований биоматериалов и тканевой инженерии Сиднейского университета, Австралия, объединились для разработки материалов, имитирующих уникальную и сложную природу костно-хрящевой ткани. Целью было разработать искусственный каркас с механическими и биоактивными свойствами, который успешно способствует заживлению поврежденных тканей для восстановления полностью функционального сустава. Биоактивные свойства включают наличие каркаса с правильным размером пор, который позволяет клеткам проникать в каркас и заселять его после имплантации, а также способность полностью разлагаться с течением времени для устранения препятствий для регенерации тканей.Определение материалов, отвечающих требованиям
Двухфазный каркас отвечает основным требованиям гибкости и устойчивости. Кроме того, биоактивные свойства двух частей каркаса имеют решающее значение, потому что имплантированный каркас должен быть заселен мезенхимальными стволовыми клетками человека, которые затем дифференцируются в хрящевые и костные клетки для надежной интеграции трансплантата в сустав.
Исследователи разработали относительно простые и воспроизводимые процессы формирования из двух материалов желаемого каркаса с разными необходимыми размерами пор. Наконец, была создана механически прочная граница раздела между двумя материалами, что было критически важно для успешного создания двухфазного трансплантата.Тестирование свойств конструкции строительных лесовВ тестах, которые измеряют, как материалы выдерживают силы растяжения и сжатия, двухфазный каркас сохранял свою структурную целостность под действием сил, которые были намного выше, чем те, которые могут возникнуть в организме в физиологических условиях.
Кроме того, связь между двумя фазами оставалась неповрежденной при испытаниях на очень сильное растяжение и сжатие.Проверенные на культуре клеток, исследователи обнаружили, что каждая фаза каркаса способствует популяции мезенхимальных стволовых клеток человека и их дифференцировке в клетки соответствующего типа.
Меньший размер пор шелкового хрящеподобного сегмента заставлял мезенхимные клетки дифференцироваться в хрящевые клетки. Более крупный размер пор керамического костеподобного сегмента заставлял мезенхимные клетки дифференцироваться в костные клетки.
Притягивание мезенхимальных клеток к порам осуществлялось без необходимости интеграции каких-либо других биоактивных молекул в структуру, что значительно упрощает конструкцию и изготовление каркаса. Граница между двумя фазами также позволила клеткам мигрировать и взаимодействовать между фазами.
Тесты экспрессии генов в тканевой культуре показали, что гены, экспрессируемые клетками, населяющими шелковую и керамическую фазы, действительно соответствовали генам, ожидаемым от хряща и кости, соответственно.Следующие шаги«Мы чрезвычайно воодушевлены», — говорит Дэвид Л. Каплан, доктор философии, профессор и заведующий кафедрой биомедицинской инженерии Университета Тафтса, — «выдающиеся механические и биоактивные свойства этих материалов, которые также характеризуются относительно простым и воспроизводимым производством. методы ".
Команда продолжает оптимизировать свойства конструкции каркаса для возможного тестирования in vivo на модели свиньи, поскольку они продвигаются к использованию этой стратегии для значительного улучшения и длительной реконструкции костно-хрящевых дефектов.