От состояния здоровья страдают тысячи американцев. Однако, чтобы использовать клеточную терапию, ученые должны сохранить клетки живыми, синтезировать соответствующий замещающий материал и доставить его в нужное место в позвоночнике пациента.
С новыми биоматериалами из инженерной школы им. Дьюка Пратта эта цель может быть ближе.В исследовании, подтверждающем концепцию, опубликованном в Интернете в журнале Biomaterials, аспирант Обри Франциско и профессор биомедицинской инженерии Лори Сеттон описывают новый биоматериал, предназначенный для повторного введения репаративных клеток в пульпозное ядро, или NP — желеобразного вещества. как подушка, естественно находящаяся между межпозвоночными дисками. Ткань NP распределяет давление и обеспечивает подвижность позвоночника, помогая облегчить боль в спине.
«Наша основная цель состояла в том, чтобы создать материал, который был бы жидким вначале, гелем после инъекции в дисковое пространство и сохранял клетки в том месте, где они были необходимы», — сказал Сеттон. «Наша вторая цель состояла в том, чтобы создать материал, который обеспечил бы доставленные клетки сигналами окружающей среды, чтобы способствовать их устойчивости и биосинтезу».Дегенерация диска — обычная проблема с возрастом. Со временем мягкие сжимаемые диски, которые работают как амортизаторы позвоночника, ломаются.
Хотя эта дегенерация межпозвоночного диска может произойти в любом месте позвоночника, в основном это происходит в районе шеи и поясницы, вызывая сильную боль. У людей с этим заболеванием также может развиться грыжа межпозвоночного диска, остеоартрит или сужение позвоночника, известное как стеноз позвоночного канала.
Предыдущие лабораторные исследования показали, что повторная имплантация NP-клеток или даже стволовых клеток может замедлить дегенерацию диска. Некоторые компании уже предлагают стратегии доставки клеток, но эти методы плохие и неэффективные. «Они позволяют клеткам быстро мигрировать из места инъекции и дальше от места инъекции», — сказал Франциско.
Стратегия доставки, разработанная командой Duke, удерживает клетки на месте и предоставляет сигналы, имитирующие ламинин, белок в нативной ткани пульпозного ядра. Ламинин обычно находится в молодых, но не дегенерированных дисках, и позволяет инъецированным клеткам прикрепляться и оставаться на месте с доставленным биоматериалом. По словам Сеттона, ламинин также может позволить клеткам выживать дольше и производить больше подходящего внеклеточного матрикса или структурной основы дисков, которые помогают остановить дегенерацию.Исследователи, финансируемые Национальным институтом здравоохранения, разработали гелевую смесь, предназначенную для повторного введения клеток NP в место межпозвонкового диска (МПД).
Гель смешивает три компонента: химически модифицированный белок ламинин-111 и два гидрогеля полиэтиленгликоля (ПЭГ), которые могут присоединяться к модифицированному ламинину. По отдельности эти вещества остаются в жидком состоянии. Однако гель удерживает клетки на месте после инъекции.
Исследователи работали с докторантом Робби Боулзом, чтобы пометить клетки NP биолюминесцентным маркером люциферазой и отследить их местоположение. Затем они вводили гель крысам в хвосты так же, как хирург доставлял клетки пациенту. После прокола тонкого внешнего слоя хвоста они удерживали иглу на месте в течение одной минуты, вводили инъекцию в участок МПД крысы и закрывали место инъекции. Раствор начал затвердевать через пять минут и полностью затвердел через 20 минут.
Изображения биомаркера люциферазы показали, что более чем через 14 дней после инъекции значительно больше клеток оставалось на месте при доставке в носителе биоматериала по сравнению с клетками, доставленными в жидкой суспензии. Франциско объяснил, что при использовании доступных в настоящее время стратегий доставки клеток 100 процентов введенных клеток NP просачиваются из участка МПД в течение трех-четырех дней после инъекции.По словам Сеттона, результаты, хотя и предварительные, могут положительно повлиять на будущее клеточной терапии. Однако, по словам исследователей, по-прежнему требуется дополнительная работа для оптимизации оборудования и моделей, которые доставляют клетки в более крупные участки для диагностики in vitro, близкие к человеческим.
«Идея заключается в том, что эти клетки будут стимулироваться для производства матрикса, который может поддерживать регенерацию ткани или останавливать дегенерацию», — сказал Сеттон. «Дополнительные исследования, которые оценивают высоту диска или гидратацию матрикса после доставки клеток, будут важны для достижения этой цели. В этом определенно есть интерес и, безусловно, реальный потенциал».Сотрудниками Медицинского центра Университета Дьюка были Уильям Ричардсон, доктор медицины, хирург-позвоночник из отделения ортопедической хирургии, и Фаршид Гилак, профессор ортопедической хирургии и биомедицинской инженерии.
Роберт Мансино, получивший в 2013 году степень бакалавра инженерной школы Пратта, работал над этим исследованием в рамках своего независимого исследования.