Микроскопическое изображение нового биоматериала. Нановолокна розовые, гиалуроновая кислота показана фиолетовым. Автор: Сэмюэл И. Стапп/Северо-Западный университет
Ученые Северо-Западного университета разработали новый биоактивный материал, который успешно восстановил высококачественный хрящ в коленных суставах модели крупного животного.
Хотя он выглядит как резиновая жижа, на самом деле этот материал 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 говорят, что при большей работе 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 ПКС.
Исследование было опубликовано в Трудах Национальной академии наук.
«Хрящ является важнейшим компонентом наших суставов», — сказал Сэмюэл И. Стапп из Северо-Западного университета, который руководил исследованием.
«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.
Контрольный хрящ (окрашенный сафранином) с дефектом в верхней левой части изображения. Кредит: Сэмюэл И. Стапп/Северо-Западный университет
Что в материале?
Новое исследование следует за недавно опубликованной работой 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, натурального полисахарида, присутствующего в хряще и смазочной синовиальной жидкости в суставах.
«Многие люди знакомы с гиалуроновой кислотой, потому что это популярный ингредиент в средствах по уходу за кожей», — сказал Стапп. «Она также естественным образом содержится во многих тканях по всему телу человека, включая суставы и мозг. Мы выбрали его, потому что он напоминает натуральные полимеры, обнаруженные в хряще».
Команда Стаппа интегрировала биоактивный пептид и химически модифицированные частицы гиалуроновой кислоты, чтобы управлять самоорганизацией наноразмерных волокон в пучки, которые имитируют естественную архитектуру хряща.
Цель состояла в том, чтобы создать привлекательный каркас для собственных клеток организма для регенерации хрящевой ткани. Используя биоактивные сигналы в наноразмерных волокнах, материал стимулирует восстановление хряща клетками, которые заселяют каркас.
Клинически релевантно для людей
Чтобы оценить эффективность материала в стимулировании роста хряща, исследователи испытали его на овцах с дефектами хряща в коленном суставе, сложном суставе в задних конечностях, похожем на человеческое колено. Эта работа была проведена в лаборатории Марка Маркеля в Школе ветеринарной медицины при Университете Висконсин-Мэдисон.
Обработанный хрящ (окрашенный сафранином) показал, что дефект заполнен. Автор: Сэмюэл И. Стапп/Северо-Западный университет
По словам Стаппа, тестирование на модели овцы было жизненно важным. Как и у людей, хрящ овцы 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 овцы 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.
Длительное решение
Стапп предполагает, что в будущем новый материал можно будет применять для лечения суставов во время открытых или артроскопических операций. В настоящее время стандартом лечения является хирургия микропереломов, во время которой хирурги создают крошечные переломы в подлежащей кости, чтобы вызвать рост нового хряща.
«Главная проблема подхода с микропереломами заключается в том, что он часто приводит к образованию фиброзного хряща — того же хряща в наших ушах — в отличие от гиалинового хряща, который нам нужен для функциональных суставов», — сказал Стапп.
«Благодаря регенерации гиалинового хряща наш подход должен быть более устойчивым к износу, устраняя проблему плохой подвижности и боли в суставах в долгосрочной перспективе, а также избегая необходимости реконструкции суставов с использованием крупных металлических деталей».
Дополнительная информация: Стапп, Сэмюэл И., Биоактивный супрамолекулярный и ковалентный полимерный каркас для восстановления хряща на модели овцы, Труды Национальной академии наук (2024). DOI: 10.1073/pnas.2405454121
Информация о журнале: Труды Национальной академии наук Предоставлено Северо-Западным университетом
