Regeneracja twarzoczaszki
Regeneracja twarzoczaszki odnosi się do procesu biologicznego, w wyniku którego czaszka i twarz odrastają w celu wyleczenia urazu. Ta strona obejmuje wady wrodzone i urazy związane z okolicą twarzoczaszki , mechanizmy stojące za regeneracją , medyczne zastosowanie tych procesów oraz badania naukowe prowadzone nad tą specyficzną regeneracją. Tej regeneracji nie należy mylić z regeneracją zębów . Odrastanie twarzoczaszki jest szeroko związane z mechanizmami ogólnego gojenia się kości .
Funkcjonować
Regeneracja twarzoczaszki jest konieczna po urazie tkanki twarzy. Może się to zdarzyć podczas operacji, podczas której lekarze złamią twarz pacjenta w celu skorygowania nieprawidłowości twarzoczaszki, takich jak rozszczep wargi , zespół Aperta , zespół Treachera Collinsa , oligodoncja , cherubizm , zespół Crouzona , zespół Pfeiffera , kraniosynostoza lub zespół Goldenhara . Inne zastosowania obejmują korekcję wad wrodzonych (takich jak hiperteloryzm ), chirurgię szczękowo-twarzową , kraniosynostozę , rzadkie rozszczepy twarzoczaszki lub usuwanie guzów . Regeneracja ta może być również konieczna po urazach twarzy, najczęściej w wyniku wypadków samochodowych.
Wady twarzoczaszki są najczęściej wrodzone (obecne przy urodzeniu), z szacunkową częstością występowania 1 na 700 żywych urodzeń (270 000 dzieci rocznie). Typowe procedury korekcyjne obejmują wewnątrzczaszkowe (zrób miejsce dla wzrostu mózgu poprzez rozszerzenie czaszki), operacje rozszczepu podniebienia (naprawa szczeliny w podniebieniu) i operacje rozszczepu wargi (zamykanie szczeliny w ustach).
Większość pacjentów cierpiących na nieprawidłowości twarzoczaszki ma normalną oczekiwaną długość życia, ale objawy często występują przez całe życie pacjenta. Typowe objawy i cechy wady twarzoczaszki obejmują nieprawidłową morfologię czaszki , trudności w funkcjach związanych z czaszką, takich jak oddychanie, słuch, połykanie lub mowa, lub porażenie twarzy .
Kontekst badawczy i historyczny
W latach siedemdziesiątych AJ Friedenstein odkrył mezenchymalne komórki macierzyste (MSC). Badania mezenchymalnych komórek macierzystych przyniosły najbardziej obiecujące wyniki w zakresie regeneracji twarzoczaszki, ponieważ MSC można znaleźć w wielu typach tkanek poporodowych , w tym w tkankach ustno-twarzowych . Hydrożel alginianowy , który zawiera czynnik wzrostu nerwów , został wykorzystany do dostarczania komórek macierzystych do tkanek podczas regeneracji.
Komórki macierzyste
Chociaż brakuje badań klinicznych specyficznych dla twarzoczaszki dotyczących terapii komórkami macierzystymi , włożono ogromny wysiłek w identyfikację populacji komórek macierzystych specyficznych dla twarzoczaszki, komórek prekursorowych , które mogą dać początek wielu specyficznym strukturom czaszki. Takie komórki macierzyste obejmują mezenchymalne komórki macierzyste szpiku kostnego (BMMSC), mezenchymalne komórki macierzyste pochodzące z tkanki tłuszczowej (AMC), satelitarne komórki mięśniowe (MuSC), komórki macierzyste więzadeł przyzębia (PDLSC) i komórki macierzyste z ludzkich eksfoliowanych zębów liściastych (SHED). W poniższej części opisano dwie najbardziej obiecujące populacje komórek macierzystych w regeneracji kości twarzoczaszki.
Mezenchymalne komórki macierzyste szpiku kostnego (BMMSC)
Zgłoszono, że BMMSC naprawiają wady twarzoczaszki. W 1994 roku wykazano, że gdy BMMSC hodowano w hodowli z deksametazonem , 2-fosforanem kwasu askorbinowego i nieorganicznym fosforanem , różnicowały się one w funkcjonalne komórki podobne do osteoblastów . Jednak po prowokacji in vivo stwierdzono, że tylko „nieco ponad połowa” myszy ze zróżnicowanymi BMMSC wykazywała potencjał do rozwoju struktury kości. Rozwój zastosowań BMMSC do naprawy kości okazał się jednak skuteczny na wielu modelach zwierzęcych, w tym na psach , myszach i owcach .
Mezenchymalne komórki macierzyste pochodzące z tkanki tłuszczowej (AMC)
AMC okazały się również obiecujące w regeneracji kości twarzoczaszki. W 2014 roku George K. Sándor przeprowadził małe badanie kliniczne (n = 13) na pacjentach z czaszkowo-szczękowo-twarzowymi , w których przeszczepiono AMC z rusztowaniami z bioaktywnego szkła lub β-fosforanu trójwapniowego w celu zrekonstruowania wady. Rusztowania z β-fosforanu trójwapniowego charakteryzują się porowatą , trójwymiarową syntetyczną strukturą rusztowania, która stymuluje wzrost , migrację i różnicowanie komórek ludzkich, prowadząc do naprawy kości. W badaniu tym 10 z 13 pacjentów pomyślnie zintegrowało AMC i rusztowania. W 2017 roku National Institute of Dental and Craniofacial Research (NIDCR) przyznał 24 miliony dolarów dwóm ośrodkom zajmującym się badaniami nad chorobami twarzoczaszki i urazami.
Mechanizm i ważne czynniki
Po urazie tkanki twarzy regeneracja twarzoczaszki przebiega w sekwencji etapów. Proces regeneracji jest inicjowany przez odpowiedź zapalną na uszkodzenie, po której następuje angiogeneza prowadząca do różnicowania mezenchymalnych komórek macierzystych (MSC) . Dodatkowe powiązane kroki obejmują proces gojenia i regenerację nerwów , które zostały pokrótce omówione.
Zapalenie
Podczas stanu zapalnego następuje zaburzenie tkanki łącznej ( kolagenu ) w celu uwolnienia niezbędnych białek leczniczych. Zapalenie jest normalnym objawem urazu i aktywuje makrofagi , które rekrutują limfocyty do miejsca urazu. Limfocyty te wydzielają cytokiny . Cytokiny to białka , które pomagają pośredniczyć w odpowiedzi immunologicznej na stan zapalny. Obecność cytokin stymuluje angiogenezę i różnicowanie MSC w osteoblasty , które ostatecznie tworzą nową kość. Wykazano, że chroniczny stan zapalny , który naśladuje starzenie się , negatywnie wpływa na regenerację kości. Dokładne uzasadnienie ograniczenia stanu zapalnego potrzebnego do regeneracji kości nie jest w pełni zrozumiałe w kontekście odpowiedzi immunologicznych .
Angiogeneza i VEGF
Angiogeneza zachodzi po zapaleniu i jest to tworzenie się naczyń krwionośnych z już istniejących. Proces ten odbywa się w postaci szybkiego rozrostu i organizacji naczyń krwionośnych. Angiogeneza zachodzi w regeneracji narządów , gojenia tkanek i procesów nowotworowych . Wykazano, że angiogeneza jest wysoce zależna od zewnątrzkomórkowych i zapalnych, takich jak cytokiny , proteazy i czynniki wzrostu . Wykazano, że integryny , rodzaj transbłonowego białka receptorowego , są ważne dla angiogenezy. Kiedy są hamowane, zwłaszcza integryna α5β1 , angiogeneza nie zachodzi. Wykazano, że celowanie w integrynę αvβ5 ma negatywny wpływ na czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEGF). Nie zostało to wykazane bezpośrednio w połączeniu z regeneracją twarzoczaszki.
Angiogeneza umożliwia dotarcie tlenu , składników odżywczych , komórek zapalnych , chrząstki i progenitorów kości (prekursorów) do miejsca regeneracji. Modele zwierzęce , które wzmocniły angiogenezę, wykazały również zwiększone zdolności regeneracyjne. Angiogeneza jest również czasowo istotna dla regeneracji kości. Wykazano, że osteoblasty pochodzące z sygnalizacji czynnika wzrostu śródbłonka naczyń (VEGF) odgrywają kluczową rolę w rozwoju nowej kości podczas regeneracji. VEGF jest również kluczowym regulatorem angiogenezy .
VEGF pełni dwie znane role w regeneracji kości: promowanie proliferacji i migracji komórek śródbłonka oraz aktywację osteogenezy . Pomimo tej wiedzy mechanizm, za pomocą którego VEGF kontroluje homeostazę kości, jest słabo poznany.
Ponadto VEGF jest niezbędny do określonego szlaku regeneracji kości, zwanego kostnieniem śródbłoniastym , gdzie tkanka mezenchymalna jest kierowana w kierunku tworzenia kości. Obejmuje to bezpośrednie różnicowanie progenitorów kości do osteoblastów (w przeciwieństwie do chrząstki pośredniej w kostnieniu śródchrzęstnym ). Wiele podstawowych artykułów literaturowych wykazało, że eksperyment utraty funkcji przeciwko VEGF w prekursorach osteoblastów znacznie zmniejsza kostnienie w strukturach kości twarzoczaszki, podkreślając zasadniczą rolę VEGF w regeneracji twarzoczaszki.
Mezenchymalne komórki macierzyste (MSC)
Tkanka osteogenna to tkanka włóknista , która może stać się tkanką kostną ( szpik , endosteum , tętnica odżywcza i okostna ). Regeneracja kości ma miejsce podczas gojenia się złamań i przebudowy kości, która zachodzi przez całe życie. Gojenie się kości zwykle przebiega bez tworzenia się blizn iz przywróceniem pełnej zdolności funkcjonalnej. Czynniki wzrostu , takie jak białka morfogenetyczne kości (BMP), odgrywają ważną rolę w indukowaniu różnicowania MSC podczas regeneracji kości. Wydaje się, że regeneracja kości u dorosłych naśladuje rozwój kości podczas embriogenezy , z wyjątkiem wymogu stanu zapalnego w celu zainicjowania procesu regeneracji. Kolejną różnicą między rozwojem kości a regeneracją jest zmniejszona liczba komórek osteoprogenitorowych podczas regeneracji. Podczas embriogenezy MSC agregują i kondensują, tworząc chrząstkę. Niektóre z tych komórek różnicują się, tworząc błoniaste kostnienie (tworzenie tkanki kostnej), podczas gdy niektóre zaangażowane komórki osteoprogenitorowe z okostnej (rodzaj tkanki osteogennej) i niezróżnicowane multipotentne MSC ze szpiku kostnego prowadzą do tworzenia kalusa , co pomaga w gojeniu złamań.
Niezróżnicowane MSC są ograniczone u dorosłych, ale te komórki wraz z zaangażowanymi komórkami osteoprogenitorowymi są zaangażowane w tworzenie kalusa. Wraz z MSC i osteoprogenitorami, mechanobiologia wpływa również na regenerację kości. Mówiąc najprościej, kompresja może poprawić przyleganie kości . Jest to znane jako prawo Wolffa , które zasadniczo stwierdza, że przebudowa kości ma na celu przeciwdziałanie i dostosowanie się do nałożonych na nią obciążeń.
Dojrzałe osteoblasty to zróżnicowane komórki prekursorowe występujące w szpiku kostnym. MSC zwykle znajdują się w zrębie szpiku kostnego . Różnicowanie MSC jest indukowane przez koktajl morfogenów i innych czynników. Wykazano , że ludzkie MSC różnicują się pod wpływem mieszanki deksametazonu , izobutylometyloksantyny , insuliny i rozyglitazonu ( agonista receptora aktywowanego przez proliferatory peroksysomów γ2 ( PPAR- γ2 ) ) in vitro .
Naukowe zrozumienie regeneracji kości in vitro jest ograniczone. Zbadano zatem testy in vivo . Jednym z takich testów jest test „złotego standardu”, stworzony przez AJ Friedensteina. Jego test wykorzystuje dyfuzyjne (system otwarty), w których wszczepił MSC myszom z niedoborem odporności . Kiedy to zostało zrobione, zauważył, że MSC tworzą kość i szpik kostny. Jego test został również wykorzystany do wykazania samoodnawiania i utrzymania „ łodygi ” w seryjnych implantacjach.
Proces leczenia
Tydzień po urazie na końcu każdego fragmentu kostnego znajdują się dwa fronty kostnienia . Pomiędzy tymi dwoma fragmentami znajduje się strefa pośrednia składająca się głównie z fibroblastów i słabo zróżnicowanych osteoblastów. W tym obszarze namnażają się fibroblasty, powstające z komórek szpiku o potencjale fibroblastycznym. Od 1 do 3 tygodnia po urazie zregenerowana kość zaczyna wypełniać lukę między dwoma fragmentami kostnymi. W głębi strefy wzrostu zaczynają pojawiać się pierwsze osteony i liczne przerośnięte naczynia. Kanał szpikowy powstaje na drodze resorpcji osteoklastów .
Regeneracja nerwów
Po urazie twarzy niezwykle ważne jest również przywrócenie funkcji nerwów , aby uniknąć paraliżu twarzy . Często pacjenci, którzy przeszli operację po urazie lub resekcji guza, doznają rozległego uszkodzenia nerwów. Jest to poważny problem, biorąc pod uwagę znaczenie mimiki i mowy dla komunikowania się w społeczeństwie ludzkim. Wiele osób, które doznały takiego uszkodzenia nerwów, wraca do zdrowia po 12 miesiącach; jednak inni mogą nigdy w pełni nie wyzdrowieć. Chociaż współczesna medycyna nie może obecnie wiele zrobić dla tych pacjentów, najnowocześniejszym sposobem opieki jest teraz przeszczep nerwów . Te przeszczepy są pobierane z mięśnia żwacza , który kontroluje ruch ust lub nerwu podjęzykowego , który kontroluje język. Aby uniknąć odnerwienia spowodowanego brakiem bodźca, operację należy wykonać jak najszybciej; jednak często trudno jest określić, czy pacjent wyzdrowieje w sposób naturalny, czy też wymagany jest przeszczep nerwu. Zasadniczo rozróżnienia tego można dokonać do 6 miesięcy po urazie, a szczepienie następuje wkrótce potem. Przeszczep nerwów działa poprzez zmniejszenie zwyrodnieniowych skutków odnerwienia i przyspieszenie regeneracji neuronów ruchowych . Działa to poprzez zapewnienie sygnalizacji nerwowej dystalnie od miejsca urazu, pomagając regenerującemu się nerwowi znaleźć właściwą ścieżkę. Ponad połowa pacjentów (57%), którzy otrzymali przeszczepy nerwów, wykazywała oznaki funkcji nerwów w ciągu 6 miesięcy od otrzymania przeszczepu.
Modele eksperymentalne
Obecne podejścia do badań twarzoczaszki są wspierane przez oddział amerykańskich Narodowych Instytutów Zdrowia , nazwany Narodowy Instytut Badań Stomatologicznych i Twarzoczaszkowych (NIDCR) . Jeśli chodzi o medycynę regeneracyjną , NIDCR zainwestował 52 miliony dolarów w „podstawowe, translacyjne i kliniczne” badania regeneracyjne w 2017 roku. Eksperymenty te obejmują między innymi:
- Mikroinżynieria naczyń krwionośnych: ulepszanie obecnej inżynierii bogatych w składniki odżywcze naczyń krwionośnych w celu promowania przeszczepionych tkanek i komórek prekursorowych kości (komórek, które doprowadzą do powstania struktury kości). Właściwa inżynieria tych krążących naczyń krwionośnych zmniejszyłaby nacisk na nowo wszczepione komórki lub struktury twarzoczaszki.
- Projektowanie silniejszej chrząstki: rzucanie wyzwanie komórkom chrząstki in vitro (w laboratorium) w trudnych warunkach, aby naśladować środowisko wady twarzoczaszki. Istotne jest, aby chrząstka wytworzona w laboratorium była porównywalna pod względem wytrzymałości z chrząstką naturalną.
- Izolowanie komórek macierzystych kości: oczyszczanie komórek macierzystych z kolekcji ludzkiej tkanki tłuszczowej , która może generować kość in vivo (modele zwierzęce).
Naukowcy wdrażają również wiele narzędzi genetycznych, aby lepiej zrozumieć regenerację twarzoczaszki. Doniesiono, że biolodzy zajmujący się rozwojem używają mikrodysekcji wychwytu laserowego i sortera komórek aktywowanego fluorescencją (FACS) w celu stworzenia szeregu genów zaangażowanych w rozwój twarzoczaszki.
Identyfikacja określonych genów niezbędnych do rozwoju twarzoczaszki może prowadzić do zaskakujących eksperymentów transgenicznych . Tego typu procedury obejmują genetyczną edycję organizmów w celu zrozumienia funkcji ich genów. Na przykład, używając rekombinazy Cre , enzymu, który dokonuje określonych cięć w genomie, naukowcy byli w stanie wyeliminować ekspresję Sp8 , genu, który, jak przypuszczano, jest niezbędny do rozwoju twarzy. W otrzymanym modelu mysim zaobserwowano, że rozwój twarzy był znacznie upośledzony, ale język i żuchwa były obecne (patrz zdjęcie). Transgeniczne modele zwierzęce to tylko jeden ze sposobów, w jaki naukowcy próbują zrozumieć nieprawidłowości twarzoczaszki.
Przyczyny urazów twarzoczaszki
Uraz fizyczny
Urazy te występują głównie u młodych mężczyzn, często w wyniku wypadków drogowych, które stanowią 22% wszystkich urazów twarzoczaszki. Urazy czaszkowo-twarzowe mogą prowadzić do śmierci z powodu uszkodzenia mózgu i zablokowania dróg oddechowych . Po ciężkim urazie skutkującym zablokowaniem dróg oddechowych standardem postępowania jest intubacja , która polega na wprowadzeniu do tchawicy elastycznej rurki w celu utrzymania przepływu powietrza, a następnie natychmiastowej interwencji chirurgicznej (41% urazów). Wentylacja mechaniczna (65% urazów), transfuzja krwi (28% urazów) i tracheostomia (22% urazów) są również powszechne po urazie. Urazy głowy często współistnieją z urazem twarzoczaszki, krwiakiem nadtwardówkowym (krwawienie między czaszką a oponą twardą ) i krwiakami podtwardówkowymi (krwawienie między oponą twardą a mózgiem). Urazy czaszki obejmowały złamania kości czołowej (20,15% urazów), kości klinowej (11,63% urazów), sklepienia oczodołu (13,18% urazów) oraz złamania kompleksu kości sitowej i sitowej (13,18%) z towarzyszącym płynem mózgowo-rdzeniowym wyciek z nosa .
Zwykła operacja stosowana w leczeniu ciężkiego urazu twarzoczaszki przebiega w trzech etapach. Natychmiast wykonuje się kraniotomię , po 7–10 dniach korekcję oczodołowo-twarzową i ostatecznie plastykę czaszki po 6–12 miesiącach.
Zaburzenia genetyczne
Zespół Treachera Collinsa , cherubizm i zespół Sticklera to przykłady rzadkich chorób genetycznych , które powodują deformacje twarzy. Choroby te objawiają się w okolicy głowy, twarzy, ust czy szyi i wpływają zarówno na wygląd, jak i funkcjonowanie. Te niepełnosprawności mogą prowadzić do bezdechu sennego , złego stanu zdrowia jamy ustnej i zaburzeń mowy .
Zespół Treachera Collinsa
Zespół Treachera Collinsa jest rzadką chorobą autosomalną dominującą . Objawy zwykle obejmują skośne szpary powiekowe i hipoplazję łuków jarzmowych . Pacjenci mogą również cierpieć na hipoplazję żuchwy , rozszczep podniebienia , coloboma powieki dolnej , mikrotię , atrezję przewodu słuchowego oraz utratę słuchu . Leczenie może obejmować operacje rekonstrukcyjne oka, ucha i łuku jarzmowego , ortodoncję i aparaty słuchowe.
Cherubizm
Cherubizm jest rzadkim schorzeniem dziedziczonym autosomalnie dominująco , spowodowanym mutacjami w genie SH3BP2 . Pacjenci dotknięci chorobą mają symetryczne powiększenie szczęk, spowodowane zastąpieniem kości tkanką włóknistą. W najcięższych przypadkach dna oczodołu , co powoduje patrzenie w górę. W niektórych przypadkach pacjenci cierpią z powodu braków i przemieszczeń zębów. Zabiegi obejmują usuwanie i przeszczepy zębów oraz usuwanie wewnątrzkostnej tkanki miękkiej.
Zespół Sticklera
Zespół Sticklera to rzadkie autosomalne dominujące zaburzenie tkanki łącznej, które dotyka około 1/7500 noworodków. Objawy obejmują retrognację , hipoplazję szczęki , rozszczep podniebienia , upośledzenie słuchu, wady układu mięśniowo-szkieletowego i wady serca. Leczenie na ogół obejmuje opiekę podtrzymującą w przypadku deformacji układu mięśniowo-szkieletowego, rozpoznanie i leczenie wczesnej utraty słuchu oraz chirurgię rekonstrukcyjną.
Chirurgia
Chirurgia twarzy jest często dobrowolna, aby cechy były bardziej estetyczne. Korekcja nosa jest niezwykle powszechna, a każdego roku wykonuje się 220 000 zabiegów. Stosuje się je w celu poprawy zewnętrznego wyglądu nosa i poprawy przepływu powietrza w drogach nosowych. Pierwszym krokiem jest nacięcie kolumelli , czyli skóry łączącej nozdrza. Chirurdzy mogą następnie usunąć chrząstkę i kość, aby skorygować garb grzbietowy , szeroki czubek lub krzywy nos . Są również w stanie skorygować skrzywione przegrody , które są częstą niedrożnością dróg oddechowych. Po zakończeniu nacięcia są zamykane i umieszczane są pęknięcia, aby zachować stabilność podczas procesu gojenia. Chirurgia estetyczna jest również powszechna po resekcjach guza, gdzie chirurdzy plastyczni korygują niewspółosiowość tkanek miękkich lub kości, która wystąpiła w wyniku usunięcia guza. Procedury te mogą obejmować przeszczepy kostne z miednicy lub żeber w celu zastąpienia usuniętej kości oraz wszczepienie tytanowych płytek i śrub w celu połączenia kawałków kości.