Инженеры-химики из MIT разработали новый имплантируемый каркас для тканей, покрытый факторами роста костных клеток, медленно высвобождающимися в течение нескольких недель. Это покрытие заставляет тело быстрее формировать новую кость, которая выглядит и ведет себя так же, как и обычная кость.
Это должно значительное улучшить результаты реконструкции по сравнению с текущим стандартом лечения костных травм, который включает в себя пересадку кости из другой части тела пациента – очень болезненный процесс, который не всегда дает достаточное количество костного материала. Пациенты с тяжелыми травмами костей, например солдаты, раненные в бою; люди, страдающие от врожденных дефектов костей; и пациенты, нуждающиеся в наращивании кости до установки зубных имплантатов могут извлечь пользу из новой технологии, говорят исследователи.
«Это по-настоящему сложная медицинская проблема, и мы постарались предоставить один из способов решения этой проблемы», говорит Нисарг Шах, ведущий автор статьи, которая появилась в Proceedings of the National Academy of Sciences на этой неделе.
Стимулируя рост новой кости
Два из наиболее важных факторов роста кости это тромбоцитарный фактор роста (PDGF) и костный морфогенетический белок (BMP-2). В рамках регуляторного каскада , участвующего в естественном заживления ран, PDGF является одним из первых факторов, выделяемых сразу после травмы кости. После появления PDGF, другие факторы, в том числе BMP-2, помогают создавать надлежащие условия для регенерации костной ткани путем рекрутирования клеток, которые могут производить костную ткань и формировать поддерживающие структуры, в том числе кровеносные сосуды.
Попытки лечения травм костей этими факторами роста затрудняла неспособность эффективно и контролируемо доставить их к месту травмы. При очень больших количествах факторов роста, поступающих слишком быстро, они быстро выводятся - снижая, таким образом, воздействие на ткани, а также вызывая нежелательные побочные эффекты.
Этот процесс требует времени, поэтому в идеале факторы роста должны освобождаться медленно в течение нескольких дней или недель. Чтобы достичь этого, команда из MIT создала очень тонкий, пористый лист с покрытием из PDGF и BMP. Используя сборку слой за слоем, они сначала покрывали лист около 40 слоями BMP-2; а сверху еще 40 слоев PDGF. Это позволило доставлять PDGF быстрее, наряду с более долгим высвобождением BMP-2, что имитирует естественное заживление.
«Это большой прорыв для тканевой инженерии костей, так как высвобождение сигнальных белков должно быть медленным и должно быть запланировано», говорит Николас Котов, профессор химической инженерии в Университете штата Мичиган, который не был частью исследовательская группы.
Эффективная регенерация
Исследователи проверили каркас на крысах с дефектом черепа, достаточно большим - 8 миллиметров в диаметре, чтобы он не мог зажить самостоятельно. После имплантации каркаса, факторы роста высвобождались с разной скоростью. PDGF - в течение первых нескольких дней после имплантации, он помог инициировать ранозаживляющий каскад и мобилизовать различные клетки-предшественники в области раны. Эти клетки отвечают за формирование новой ткани, в том числе кровеносных сосудов, поддерживающих сосудистых структур и кости.
BMP, высвобождаемый медленно, индуцировал некоторые из этих незрелых клеток, чтобы они стали остеобластами. Когда оба фактора роста действовали вместе, эти клетки генерировали слой кости, которая была неотличима от натуральной кости по внешнему виду и механическим свойствам, всего за две недели после операции, говорят исследователи.
Еще одно преимущество этого подхода состоит в том, что каркас является биоразлагаемым и разрушается внутри организма в течение нескольких недель. Материал каркаса, полимер PLGA, широко используется в медицине и может разлагаться с заданной скоростью, так что исследователи смогут гибко варьировать временем высвобождения.
Команда подала патент на основе этой работы и хочет начать тестирование системы на более крупных животных в надежде скоро перейти к клиническим испытаниям.