«Мы смогли — впервые — создать полностью функциональный человеческий хрящ из мезенхимальных стволовых клеток, имитируя in vitro процесс развития мезенхимальной конденсации», — говорит Гордана Вуньяк-Новакович, руководившая исследованием и являющаяся специалистом компании Mikati. Основание профессора биомедицинской инженерии в Columbia Engineering и профессора медицинских наук. «Это может иметь клинические последствия, поскольку этот хрящ можно использовать для восстановления дефекта хряща или в сочетании с костью в композитном трансплантате, выращенном в лаборатории, для более сложной реконструкции ткани».
Более 20 лет исследователи неофициально называли хрящ «официальной тканью тканевой инженерии», — отмечает Вуньяк-Новакович. Многие группы изучали хрящ как очевидно простую ткань: один тип клеток, без кровеносных сосудов или нервов, ткань, созданная для того, чтобы выдерживать нагрузки, защищая концы костей в суставах.
Хотя был достигнут большой успех в разработке частей хряща с использованием клеток молодых животных, до сих пор никому не удавалось воспроизвести эти результаты с использованием стволовых клеток взрослого человека из костного мозга или жира, наиболее практичного источника стволовых клеток. Команде Вуньяк-Новакович удалось вырастить хрящ с физиологической архитектурой и прочностью, радикально изменив подход к тканевой инженерии.Общий подход к инженерии хрящевой ткани заключался в помещении клеток в гидрогель и их культивировании в присутствии питательных веществ и факторов роста, а иногда и механической нагрузки. Но использование этого метода со стволовыми клетками взрослого человека неизменно приводит к образованию механически слабого хряща.
Поэтому Вуньяк-Новакович и ее команда, которые давно интересовались инженерией скелетных тканей, задались вопросом, может ли метод, напоминающий нормальное развитие скелета, привести к более высокому качеству хряща.Сариндр Бхумиратана, научный сотрудник Лаборатории стволовых клеток и тканевой инженерии Вунжака-Новаковича, предложил новый подход: заставить мезенхимальные стволовые клетки пройти стадию конденсации, как в организме, прежде чем они начнут формировать хрящ. Он обнаружил, что это простое, но серьезное отклонение от того, как все было обычно?
В результате был получен человеческий хрящ невиданного ранее качества.Джерард Атешян, профессор машиностроения Эндрю Вальца, профессор биомедицинской инженерии и заведующий кафедрой машиностроения, и его аспирант Севан Унгулиан помогли провести измерения, показавшие, что смазочные свойства и прочность на сжатие — два важных функциональных свойства. — тканевый хрящ приблизился к таковому из собственного хряща. Затем исследователи использовали свой метод для регенерации больших кусков анатомической формы и механически прочного хряща над костью, а также для восстановления дефектов хряща.
«Весь наш подход к тканевой инженерии является биомиметическим по своей природе, что означает, что наши инженерные разработки определяются биологическими принципами», — отмечает Вуньяк-Новакович. «Этот подход оказался эффективным в улучшении качества многих искусственно созданных тканей — от кости до сердца. Тем не менее, мы были действительно удивлены, увидев, что наш хрящ, выросший за счет имитации некоторых аспектов биологического развития, был таким же прочным, как и у« нормального »человека. хрящ ».
Затем команда планирует проверить, сохраняет ли модифицированная хрящевая ткань свою структуру и долгосрочную функцию при имплантации в дефект.«Это очень интересное время для тканевых инженеров», — говорит Вуньяк-Новакович. «Стволовые клетки трансформируют будущее медицины, предлагая способы преодолеть некоторые фундаментальные ограничения человеческого тела. Мы, биоинженеры, сейчас работаем с учеными и клиницистами, занимающимися стволовыми клетками, над разработкой технологий, которые сделают эту мечту возможной.
Этот проект является прекрасным примером того, что нам нужно «мыслить как клетка», чтобы узнать, как именно заставить клетки создать функциональную человеческую ткань определенного типа. Это свидетельствует о прогрессе, движущем благодаря исключительным молодым талантам, которыми мы обладаем среди наших постдоков и студентов в Колумбийском университете. Инжиниринг ».
Исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения (Национальный институт биомедицинской визуализации и биоинженерии, Национальный институт стоматологических и черепно-лицевых исследований и Национальный институт артрита и заболеваний опорно-двигательного аппарата).