Sztuczna chrząstka
Sztuczna chrząstka to syntetyczny materiał wykonany z hydrożeli lub polimerów , którego celem jest naśladowanie właściwości funkcjonalnych naturalnej chrząstki w organizmie człowieka. Zasady inżynierii tkankowej stosuje się w celu stworzenia nieulegającego degradacji i biokompatybilnego materiału, który może zastąpić chrząstkę. Podczas tworzenia użytecznego syntetycznego materiału na chrząstkę należy przezwyciężyć pewne wyzwania. Po pierwsze, chrząstka jest pozbawioną unaczynienia w organizmie i dlatego nie regeneruje się sama. Stwarza to problemy z regeneracją tkanki. Syntetyczna chrząstka musi być również stabilnie przymocowana do leżącej pod nią powierzchni, kości . Wreszcie, w przypadku tworzenia syntetycznej chrząstki do stosowania w przestrzeniach stawowych , nieodłączną właściwością materiału musi być wysoka wytrzymałość mechaniczna na ściskanie .
Naturalna chrząstka
Istnieją trzy rodzaje chrząstki w ludzkim ciele: chrząstka włóknista , chrząstka szklista i chrząstka elastyczna . Każdy rodzaj chrząstki ma różne stężenia składników, takich jak proteoglikany , kolagen i woda, które decydują o jej właściwościach funkcjonalnych i umiejscowieniu w organizmie. Chrząstka włóknista najczęściej znajduje się w krążkach międzykręgowych , chrząstka elastyczna znajduje się w uchu zewnętrznym, a chrząstka szklista znajduje się na wielu powierzchniach stawowych w ciele. Zastąpienie chrząstki szklistej (chrząstki stawowej) jest najczęstszym zastosowaniem chrząstki syntetycznej.
Chrząstka stawowa
Chrząstka jest tkanką beznaczyniową, beznerwową i limfatyczną w organizmie. Matryca pozakomórkowa (ECM) kolagenu jest tym, co nadaje mu wysoką wytrzymałość. Poniższy rysunek przedstawia elementy modułu ECM.
składniki
-
Woda : Woda stanowi około 80% chrząstki.
- Chondrocyty : Chondrocyty to komórki, które wytwarzają i utrzymują macierz chrzęstną. Są słabo rozproszone w chrząstce i stanowią tylko około 2% całkowitej objętości chrząstki. Chondrocyty różnią się wielkością, kształtem i stężeniem w zależności od ich lokalizacji w chrząstce stawowej.
- Kolagen : Kolagen jest białkiem strukturalnym obecnym w macierzy pozakomórkowej chrząstki. Kolagen składa się z potrójnej helisy łańcuchów polipeptydowych i zapewnia chrząstce właściwości ścinające i rozciągające. Kolagen typu II jest najczęstszym typem kolagenu obecnym w chrząstce, chociaż obecne są również typy IX, X, XI i XIV. Ogólnie rzecz biorąc, kolagen jest białkiem stabilizującym obecnym w ECM.
- Proteoglikany : Proteoglikany są drugą najczęściej występującą makrocząsteczką w ECM chrząstki. Proteoglikany składają się z białka łącznikowego wraz z białkiem rdzeniowym, do którego przyłączają się glikozoaminoglikany (GAG). Najczęstszymi GAG są siarczan chondroityny i siarczan keratyny. Proteoglikany przyłączają się do centralnego łańcucha, zwykle kwasu hialuronowego, poprzez białko łącznikowe, tworząc większe agregaty proteoglikanów. Proteoglikany są hydrofilowe i dlatego przyciągają i zatrzymują cząsteczki wody. Zapewnia to chrząstce jej wewnętrzną zdolność do przeciwstawiania się kompresji.
- Glikoproteiny : Wiele innych glikoprotein jest obecnych w ECM chrząstki w niewielkich ilościach, które pomagają utrzymać strukturę i organizację. W szczególności lubrycyna pomaga stworzyć powierzchnię smarującą na chrząstce, aby ułatwić ruchomość stawów. Fibronektyna i integryny obecne są w innych glikoproteinach, które pomagają w adhezji chondrocytów do ECM.
Struktura
Istnieją trzy strefy strukturalne w chrząstce stawowej, w tym powierzchowna strefa styczna, środkowa strefa przejściowa i głęboka strefa. W strefie stycznej włókna kolagenowe są ułożone równolegle do powierzchni i stają się stopniowo losowo układane podczas przemieszczania się do strefy głębokiej. Włókna kolagenowe w strefie powierzchownej są ułożone równolegle do powierzchni, aby ograniczyć naprężenia ścinające. Podobnie włókna kolagenowe są ułożone prostopadle do powierzchni w strefie głębokiej, aby ograniczyć siły ściskające. Pomiędzy kością a strefą głęboką znajduje się zwapniała chrząstka. Układ komórek różni się również między strefami, w głębszych strefach chondrocyty są ułożone w kolumny, podczas gdy w strefach powierzchownych są ułożone losowo. W obszarach powierzchownych komórki są również bardziej wydłużone, podczas gdy w głębszych strefach mają bardziej kulisty charakter.
Sztuczna chrząstka
Chrząstka syntetyczna może składać się z wielu różnych materiałów, które naśladują jej właściwości funkcjonalne. Zasady inżynierii tkankowej obejmują wykorzystanie w tym celu komórek, czynników wzrostu i syntetycznych rusztowań.
składniki
- Komórki: Chondrocyty są oczywistym wyborem do wykorzystania w regeneracji chrząstki ze względu na ich zdolność do wydzielania kolagenu i innych składników ECM niezbędnych do funkcjonalnych właściwości chrząstki. Chondrocyty można pobrać z nieobciążonej przestrzeni stawowej osobnika i hodować. Niestety, chondrocyty pobrane od osobników mogą ulec odróżnicowaniu i utracić swoje właściwości. Ponadto starzejące się chondrocyty wykazują mniejszą aktywność metaboliczną i mogą nie wytwarzać funkcjonalnych białek lub niewystarczającej ilości funkcjonalnych białek do stworzenia pożądanej ECM. Mezenchymalne komórki macierzyste można również wykorzystać do tworzenia chondrocytów i umożliwienia regeneracji chrząstki.
- Czynniki wzrostu : Czynniki wzrostu można stosować do indukowania różnicowania komórki lub indukowania wydzielania białek macierzy. Typowe czynniki wzrostu do stosowania syntetycznej chrząstki obejmują insulinowy czynnik wzrostu 1 (IGF-1), transformujący czynnik wzrostu β (TGF- β), białka morfogenetyczne kości (BMP) oraz czynnik wzrostu i różnicowania 5 (GDF-5).
- Ludzkie indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC) są alternatywnym źródłem komórek, które mają potencjał do samoodnawiania i zapewniają niemal nieograniczoną liczbę komórek o pluripotencjalnych zdolnościach lub zdolności do różnicowania się w wiele różnych typów komórek.
- Bioinks: są to materiały używane do inżynierii sztucznej żywej tkanki przy użyciu technologii druku 3D. Biotusze mogą składać się wyłącznie z komórek, ale zwykle są kombinacją komórek i materiału nośnego, często żelu biopolimerowego.
Struktura
- Rusztowania są wykorzystywane w inżynierii tkankowej do stworzenia środowiska o podobnych właściwościach mechanicznych do tkanki natywnej. Rusztowania muszą być biokompatybilne i charakteryzować się wysoką wytrzymałością na ściskanie. Rusztowania można tworzyć z hydrożeli, polimerów lub innych materiałów. Hydrożele to lekko usieciowane sieci polimerowe napęczniałe wodą. Stopień usieciowania, porowatość i skład polimeru można dostosować, aby stworzyć hydrożel o właściwościach podobnych do naturalnej chrząstki. Naukowcy badają zastosowanie hydrożeli jako substytutu chrząstki od lat 70. XX wieku.
Funkcjonować
Naturalna chrząstka stawowa jest tkanką niejednorodną , anizotropową i lepkosprężystą . Struktura opisana powyżej 1.1.2. pozwala tkance chrzęstnej na uzyskanie lepszych właściwości mechanicznych w celu wykonywania niezbędnych funkcji. Chrząstka syntetyczna będzie próbowała naśladować właściwości funkcjonalne chrząstki naturalnej, które można podzielić na dwa główne aspekty.
- nośne : Jedną z głównych funkcji chrząstki stawowej jest jej zdolność do efektywnego przenoszenia powtarzających się cyklicznych obciążeń na kość. To obciążenie ściskające może być wielokrotnie większe niż masa ciała z powodu czynności takich jak chodzenie i bieganie, jednak chrząstka osiąga tę funkcję poprzez rozpraszanie energii .
- tribologiczne : Drugą główną funkcją chrząstki stawowej jest to, że może ona ulegać niewielkiemu lub zerowemu zużyciu w ciągu całego życia. Osiąga tę funkcję, zapewniając smarowaną powierzchnię o współczynniku tarcia bliskim zeru. Tworząc gładką powierzchnię, smar ten zapobiega adhezji zarówno komórek, jak i białek, jednocześnie chroniąc chrząstkę stawową przed uszkodzeniem.
Są to ważne funkcje chrząstki ze względu na jej rolę jako poduszki w artykulacji kości. Kiedy dochodzi do uszkodzenia i degradacji chrząstki stawowej, nie jest ona już w stanie wytrzymać dużych obciążeń bez bólu i dyskomfortu jednostki z powodu pogorszenia właściwości mechanicznych.
Po przeanalizowaniu właściwości nośnych i tribologicznych naturalnej chrząstki, te właściwości mechaniczne można uzyskać w zależności od struktury i składników utworzonego hydrożelu, co zostanie omówione dalej w sekcji Istniejące metody. Te optymalne właściwości można następnie porównać z utworzoną syntetyczną chrząstką. Właściwości utworzonych hydrożeli mogą się znacznie różnić w zależności od składników i struktury. Ponadto niezwykle trudno jest osiągnąć wszystkie mechaniczne funkcje chrząstki naturalnej, co jest ostatecznym celem chrząstki syntetycznej.
Podczas tworzenia hydrożeli należy wziąć pod uwagę dodatkowe funkcje. Na przykład hydrożel musi mieć odpowiednie właściwości degradacyjne, aby wytworzyć regenerację komórek we właściwych ramach czasowych, w których hydrożel ulegnie degradacji. Ponadto hydrożel nie może tworzyć toksycznych odpadów podczas degradacji. Funkcje te przetestowano porównując naprężenia , moduły i zawartość wody przed i po implantacji różnych kompozycji hydrożeli.
Istniejące metody
Istnieje wiele metod dotyczących terapii regeneracyjnych chrząstki, a także opracowywania nowej sztucznej chrząstki. Najpierw zostaną omówione terapie regeneracyjne w chorobie zwyrodnieniowej stawów. W ostatnich latach nastąpił znaczny postęp w rozwoju tych terapii regeneracyjnych. Obejmują one przeciwdziałanie degradacji, działanie przeciwzapalne oraz regenerację chrząstki opartą na komórkach i rusztowaniach.
Przeciw degradacji
Stosowano wiele czynników biologicznych i związków chemicznych w celu zapobiegania enzymom degradującym macierz, które aktywnie działają na rzecz degradacji chrząstki. Przeciwciała monoklonalne, najczęściej badane to 12F4.1H7, działają specyficznie hamując uwalnianie agrekanu indukowane przez ADAMTS-5. To z kolei pomaga spowolnić degradację chrząstki i powstawanie osteofitów.
Przeciwzapalne
Hamowanie mediatorów stanu zapalnego może pomóc w zapobieganiu postępowi choroby zwyrodnieniowej stawów . Cytokiny i chemokiny odgrywają kluczową rolę w stymulowaniu katabolizmu chrząstki i blokowaniu tych mediatorów stanu zapalnego. Badania wykazały, że leczenie inhibitorem szlaku NF-κB BAY11-7082 przywraca zahamowaną przez IL-1b chondrogenezę komórek macierzystych chrząstki , co z kolei opóźnia progresję choroby zwyrodnieniowej stawów. Podobnie liczne badania pokazują, że połączona blokada TNFα i IL-17 za pomocą przeciwciał bispecyficznych ujawnia hamowanie obu cytokin w celu zmniejszenia degradacji chrząstki i odpowiedzi prozapalnych.
Regeneracja chrząstki na bazie komórek i rusztowań
W niektórych badaniach wykazano, że w celu przywrócenia chrząstki stawowej po urazie spowodowanym utratą chondrocytów, terapia komórkowa i uzupełnianie chondrocytów działają. Leżące samoorganizujące się MSC ( mezenchymalne komórki macierzyste ) na szczycie hydrożelowych rusztowań obciążonych chondrocytami wykazały komórkową regenerację chrząstki szklistej . Jednak jedną wadą tego jest to, że wszczepienie tych rusztowań wymaga operacji otwartego stawu w celu zebrania chondrocytów dawcy z nieobciążonych obszarów chrząstki stawowej. Utrudnia to zastosowanie do osób starszych.
Wraz z terapiami regeneracyjnymi istnieje również kilka badań, które pokazują sposoby opracowania nowej sztucznej chrząstki.
Rusztowanie tkane z włókien 3D infiltrowane hydrożelami sieciowymi
W jednym z badań omówiono, że tkane włókna 3D zapewniają właściwości tribologiczne nośności natywnej chrząstki, w której starają się osiągnąć środowisko prawie bez tarcia. Hydrożele są używane jako nośniki komórek, ponieważ można je łatwo zaszczepić komórkami. Jednak trudno jest odtworzyć zarówno biomechaniczne, jak i chemiczne funkcje naturalnej tkanki. Hydrożele sieci interpretujących (IPN), to dwa różne polimery zmieszane ze sobą na skalę molekularną. Działa to w celu zwiększenia odporności na pękanie . Są to jonowo usieciowane sieci ze specjalnym typem IPN, który jest w stanie rozpraszać energię mechaniczną zachowując przy tym kształt hydrożelu po odkształceniu.
Hydrożele o podwójnej sieci
Podobnie jak w poprzednim badaniu, stosuje się hydrożele o podwójnej sieci. Zbudowane są z dwóch rodzajów hydrofilowych . Po 6 tygodniach od implantacji próbki w porównaniu z próbkami bez leczenia wykazały biodegradowalne . Podczas stosowania kwasu poli(2-akrylamido-2-metylo-propanosulfonowego)/poli(N,N'-dimetyloakryloamidu) lub PAMPS/PDMAAm naprężenie graniczne i moduł styczny wzrastają. Jednak przy zastosowaniu celulozy bakteryjnej i żelatyny wykazywał spadek naprężeń ostatecznych i nie spełniał wymagań sztucznej chrząstki.
Hydrożel PVA/PAMPS
W 2020 roku twórcy połączyli sieć nanowłókien celulozy bakteryjnej z hydrożelem o podwójnej sieci poli(alkoholu winylowego) (PVA) - soli sodowej kwasu poli(2-akryloamido-2-metylo-1-propanosulfonowego) (PAMPS). Sztuczna chrząstka wykazywała taką samą wytrzymałość i moduł jak chrząstka naturalna pod względem rozciągania i ściskania i była pierwszą stworzoną w laboratorium opcją wykazującą wytrzymałość zmęczeniową równoważną chrząstce. Hydrożel musi przejść dalsze testy laboratoryjne, zanim naukowcy określą, czy można go przenieść do użytku klinicznego. Hydrożele PVA przygotowane przez wielokrotne zamrażanie-rozmrażanie, bez dodawanego z zewnątrz środka sieciującego, również okazały się bardzo obiecujące pod względem biokompatybilności, odporności na zużycie, amortyzacji, współczynnika tarcia, elastyczności i smarowania (ze względu na wchłanianie/wydalanie płynów ustrojowych). Dwuletnia implantacja żeli PVA jako sztucznej łąkotki u królików wykazała, że pozostają one nienaruszone bez degradacji, pęknięć lub utraty właściwości.
Hydrożel PDMS
Ta metoda wykorzystuje hydrożel zawarty w porowatym polimerze na bazie silikonu zwanym polidimetylosiloksanem (PDMS). Polimer pozwala hydrożelowi wytrzymać 14-19 razy większą siłę, niż byłby w stanie samodzielnie.
Zastosowania kliniczne
Zastosowanie kliniczne jest niezwykle ważne, aby wziąć pod uwagę, patrząc na skuteczność sztucznej chrząstki. Poniżej opisano najnowsze kliniczne podejścia do regeneracji chrząstki w leczeniu choroby zwyrodnieniowej stawów.
Terapia oparta na MSC
W niektórych badaniach implantacja mezenchymalnych komórek macierzystych indukowana przez macierz wykazała wcześniejszą poprawę kliniczną w porównaniu ze zwykłą implantacją chondrocytów. MSC sprzyjały regeneracji chrząstki w kolanach z chorobą zwyrodnieniową stawów, a także zmniejszały ból i niepełnosprawność.
Hydrożele PVP/PVA do wymiany chrząstki stawowej
W tym badaniu zastosowano hydrożele poli(alkoholu winylowego) (PVA). Przy użyciu tego hydrożelu trudno było sprostać właściwościom mechanicznym chrząstki stawowej. Nie było zmian zapalnych ani zwyrodnieniowych w chrząstce stawowej lub błonie maziowej otaczającej tę sztuczną chrząstkę PVA. Zbadano również hydrożele PVP. Wykazują wysoką hydrofilowość, biokompatybilność i zdolność kompleksowania. Zastosowane jako mieszanka hydrożelu PVA/PVP wytworzyły podobną wewnętrzną trójwymiarową strukturę i zawartość wody jak naturalna chrząstka stawowa. Najlepsze właściwości mechaniczne i układ cierny uzyskał zmieszany hydrożel z 1% wag. % PvP. Ze względu na większe międzyłańcuchowe wiązania wodorowe , dodanie PVP do czystego PVA okazało się lepszą opcją. Działały dokładnie z charakterystycznym lepkosprężystym zachowaniem chrząstki stawowej.
Implanty chrząstki
W lipcu 2016 r. Stany Zjednoczone zatwierdziły stosowanie syntetycznego implantu chrząstki w leczeniu zapalenia stawów w stawie dużego palca. Implant jest wykonany z soli fizjologicznej i biokompatybilnego polimeru i jest wprowadzany przez nacięcie między stawem śródstopno-paliczkowym (MTP), gdzie naturalna chrząstka uległa zużyciu. Jest badany pod kątem zastosowania w innych stawach. Oddzielny implant ortopedyczny składający się z uwodnionej, wzajemnie przenikającej się podwójnej sieci polimerowej na bazie polieterouretanu (PEU) otrzymał w lipcu 2021 r. oznaczenie przełomowego urządzenia od Amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków.
We wrześniu 2021 r. naukowcy wykorzystali zmodyfikowaną chrząstkę nosową opartą na chondrocytach do leczenia stawów z chorobą zwyrodnieniową stawów u dwóch pacjentów.
Przeszczepy chrząstki
W 2021 roku naukowcy z Swansea University nawiązali współpracę z Scar Free Foundation w celu bioprint 3D przeszczepialnej chrząstki wykonanej z ludzkich komórek macierzystych i materiałów roślinnych, aby dać 10-letniej dziewczynce przeszczep ucha. Metoda ta wyeliminowała konieczność pobierania chrząstki z innego miejsca na ciele pacjenta.
Przyszła praca
Jeśli chodzi o przyszłe prace, w tej dziedzinie jest jeszcze wiele do zrobienia. Sztuczna chrząstka jest nowym tematem badawczym i wciąż wiele jest nieznanych. Istnieje wiele nieznanych czynników związanych z ASCP i należy przeprowadzić więcej badań, aby wyciągnąć bardziej uzasadnione wnioski na temat funkcji regeneracyjnych ASCP. Dodatkowo dokładnie zbadano czynniki wzrostu; jednak określone kombinacje nadal wymagają dalszych badań, aby skuteczniej wytwarzać tkankę, która może naśladować właściwości naturalnej chrząstki. W 2021 roku Marc C. Hochberg, kierownik oddziału reumatologii i immunologii klinicznej na University of Maryland School of Medicine , powiedział, że „świętym Graalem” byłby związek, który zmniejsza degradację chrząstki i / lub przywraca normalną chrząstkę, jednocześnie zmniejszając ból .
drukowanie 3d
W 2017 roku naukowcy z Chalmers University of Technology w Szwecji zademonstrowali inżynierię tkanki chrzęstnej za pomocą biodruku 3D. Do przeprowadzenia testów wykorzystali dwa różne biotusze z nanofibrylowaną celulozą (NFC): NFC z alginianem (NFC/A) i kwasem hialuronowym (NFC/HA). Biotusze były współdrukowane z napromienionymi ludzkimi chondrocytami [8]. Zespół odniósł sukces dzięki NFC/A.
We wrześniu 2021 roku naukowcy stworzyli implanty do naprawy chrząstki, wykorzystując proces trójwymiarowego tkania w celu połączenia sztucznych materiałów z komórkami macierzystymi. Biosztuczne implanty są zaprojektowane tak, aby z czasem częściowo się rozpuszczały, pozostawiając jedynie naturalne tkanki w naprawianych stawach. Od października 2021 r. naukowcy odnotowali sukces w leczeniu psów, ale konieczne są dalsze badania, zanim technika ta będzie mogła przejść do badań klinicznych na ludziach.
Również we wrześniu 2021 r. naukowcy z laboratorium Nakayama na Uniwersytecie Saga i Uniwersytecie w Kioto w Japonii wytworzyli wydrukowane w 3D konstrukty chrząstki z komórek macierzystych.