Ученые Северо-Западного университета разработали новый биоактивный материал, который успешно восстановил высококачественный хрящ в коленных суставах у крупного животного.

Хотя материал выглядит как резиновая жижа, на самом деле он представляет собой сложную сеть молекулярных компонентов, которые работают вместе, имитируя естественную среду хряща в организме.

В новом исследовании ученые применили материал к поврежденному хрящу в коленных суставах животных. Всего за шесть месяцев ученые наблюдали свидетельства улучшенного восстановления, включая рост нового хряща, содержащего естественные биополимеры (коллаген II и протеогликаны), которые обеспечивают безболезненную механическую устойчивость суставов.

Исследователи утверждают, что при условии проведения дополнительных исследований новый материал когда-нибудь может быть потенциально использован для предотвращения операций по полной замене коленного сустава, лечения дегенеративных заболеваний , таких как остеоартрит, и восстановления спортивных травм, таких как разрывы передней крестообразной связки.

Исследование было опубликовано в Трудах Национальной академии наук.

«Хрящ — важнейший компонент наших суставов», — сказал Сэмюэл И. Стапп из Северо-Западного университета, возглавлявший исследование.

«Когда хрящ повреждается или разрушается с течением времени, это может оказать большое влияние на общее состояние здоровья и подвижность людей. Проблема в том, что у взрослых людей хрящ не обладает врожденной способностью к заживлению. Наша новая терапия может вызвать восстановление в ткани, которая не восстанавливается естественным образом. Мы считаем, что наше лечение может помочь решить серьезную, неудовлетворенную клиническую потребность».

Пионер регенеративной наномедицины, Стапп является профессором попечительского совета по материаловедению и инженерии, химии, медицине и биомедицинской инженерии в Северо-Западном университете, где он является директором-основателем Института бионанотехнологий Симпсона Куэрри и его дочернего центра — Центра регенеративной наномедицины.

У Стаппа есть должности в Школе инженерии Маккормика, Колледже искусств и наук Вайнберга и Медицинской школе Файнберга. Джейкоб Льюис, бывший аспирант лаборатории Стаппа, является первым автором статьи.

Что входит в состав материала?

Новое исследование является продолжением недавно опубликованной работы лаборатории Штуппа, в которой группа использовала «танцующие молекулы» для активации клеток хряща человека с целью повышения выработки белков, формирующих тканевую матрицу.

Вместо использования танцующих молекул новое исследование оценивает гибридный биоматериал, также разработанный в лаборатории Стаппа. Новый биоматериал состоит из двух компонентов: биоактивного пептида, который связывается с трансформирующим фактором роста бета-1 (TGFb-1) — необходимым белком для роста и поддержания хряща — и модифицированной гиалуроновой кислоты , природного полисахарида, присутствующего в хряще и смазочной синовиальной жидкости в суставах.

«Многие люди знакомы с гиалуроновой кислотой, поскольку это популярный ингредиент в средствах по уходу за кожей», — сказал Стапп. «Она также естественным образом содержится во многих тканях человеческого тела, включая суставы и мозг. Мы выбрали ее, потому что она похожа на природные полимеры, обнаруженные в хрящах».

Команда Стаппа интегрировала биоактивный пептид и химически модифицированные частицы гиалуроновой кислоты, чтобы обеспечить самоорганизацию нановолокон в пучки, имитирующие естественную архитектуру хряща.

Целью было создание привлекательного каркаса для собственных клеток организма для регенерации хрящевой ткани. Используя биоактивные сигналы в нановолокнах, материал стимулирует восстановление хряща клетками, которые заселяют каркас.

Клинически значимо для людей

Чтобы оценить эффективность материала в содействии росту хряща, исследователи испытали его на овцах с дефектами хряща в коленном суставе, сложном суставе задних конечностей, похожем на человеческое колено. Эта работа была проведена в лаборатории Марка Маркеля в Школе ветеринарной медицины в Университете Висконсин-Мэдисон.

По словам Стаппа, тестирование на модели овцы было жизненно важным. Как и у людей, хрящ овец упрям ​​и невероятно трудно поддается регенерации. Коленные суставы овец и человеческие колени также имеют сходство в весовой нагрузке, размере и механических нагрузках.

«Исследование на модели овец более прогнозируемо относительно того, как лечение будет работать у людей», — сказал Стапп. «У других более мелких животных регенерация хряща происходит гораздо быстрее».

В ходе исследования ученые вводили густой, пастообразный материал в дефекты хряща, где он трансформировался в резиноподобную матрицу. Не только вырастал новый хрящ, заполняющий дефект по мере разрушения каркаса, но и восстановленная ткань была неизменно более высокого качества по сравнению с контрольной группой.

Долгосрочное решение

Стапп предполагает, что в будущем новый материал можно будет применять для суставов во время открытых или артроскопических операций. Текущий стандарт лечения — это микропереломная хирургия, во время которой хирурги создают крошечные переломы в подлежащей кости, чтобы вызвать рост нового хряща.

«Главная проблема подхода с использованием микропереломов заключается в том, что он часто приводит к образованию фиброзного хряща — того же хряща в наших ушах, — а не гиалинового хряща, который нам нужен для функционирования суставов», — сказал Стапп.

«Благодаря регенерации гиалинового хряща наш подход должен быть более устойчивым к износу, что позволит решить проблему плохой подвижности и боли в суставах на долгосрочную перспективу, а также избежать необходимости реконструкции суставов с использованием крупных металлоконструкций».