Знае се, че хрущялът - решаващ компонент в ставите - трудно се възстановява

Разработен нов биоактивен материал, който успешно регенерира висококачествен хрущял в коленните стави на голямо моделно животно, съобщават учени от Северозападния университет.

Въпреки че изглежда като гумена каша, материалът всъщност представлява сложна мрежа от молекулярни компоненти, които работят заедно, за да имитират естествената среда на хрущяла в тялото.

В новото изследване изследователите прилагат материала към увредени хрущяли в коленните стави на животните. В рамките на само шест месеца изследователите наблюдават доказателства за засилено възстановяване, включително растеж на нов хрущял, съдържащ естествени биополимери (колаген II и протеогликани), които осигуряват безболезнена механична устойчивост на ставите.

Според изследователите, при по-нататъшна работа новият материал би могъл да се използва за предотвратяване на операции за пълно заместване на коляното, за лечение на дегенеративни заболявания като остеоартрит и за възстановяване на спортни травми като разкъсвания на предната колянна връзка.

Проучването ще бъде публикувано през седмицата на 5 август в Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Хрущялът е важен компонент в нашите стави“, коментира първият автор на статията Самуел Стъп (Samuel I. Stupp), професор от Северозападния университет, ръководител на изследването. „Когато хрущялът се увреди или разруши с течение на времето, това може да има голямо въздействие върху цялостното здраве и подвижност на хората. Проблемът е, че при възрастните хора хрущялът няма присъщата способност да се възстановява. Нашата нова терапия може да предизвика възстановяване на тъкан, която не се възстановява по естествен път. Смятаме, че нашето лечение може да помогне за решаването на една сериозна, неудовлетворена клинична нужда."

Какво се съдържа в материала?

През ноември 2021 г. изследователи от Северозападния университет представят нова инжекционна терапия, която използва бързо движещи се „танцуващи молекули“ за възстановяване на тъканите.

В нови експерименти човешки хрущялни клетки, третирани с бързо движещи се танцуващи молекули, произвеждат повече колаген II (показан в червено), решаващ компонент за регенерацията. Клетъчните ядра са показани в синьо/лилаво. Кредит: Samuel I. Stupp/Northwestern University

Новото изследване екипът също използва „танцуващи молекули“, за да активира човешки хрущялни клетки да увеличат производството на протеини, които изграждат тъканната матрица. Вместо да използва танцуващи молекули, новото изследване оценява хибриден биоматериал, също разработен в лабораторията на Стъп. Новият биоматериал се състои от два компонента: биоактивен пептид, който се свързва с трансформиращия растежен фактор бета-1 (TGFb-1) - основен протеин за растежа и поддържането на хрущяла - и модифицирана хиалуронова киселина, естествен полизахарид, присъстващ в хрущяла и смазващата синовиална течност в ставите.

„Много хора са запознати с хиалуроновата киселина, тъй като тя е популярна съставка в продуктите за грижа за кожата“, посочва Стъп. „Тя също така се среща естествено в много тъкани в човешкото тяло, включително в ставите и мозъка. Избрахме я, защото наподобява естествените полимери, открити в хрущялите“.

Екипът на Стъп интегрира биоактивния пептид и химически модифицирани частици хиалуронова киселина, за да стимулира самоорганизацията на наноразмерни влакна в снопове, които имитират естествената архитектура на хрущяла. Целта е била да се създаде привлекателно скеле за собствените клетки на организма, които да регенерират хрущялна тъкан. Използвайки биоактивни сигнали в наноразмерните влакна, материалът стимулира възстановяването на хрущяла от клетките, които населяват скелето.

Клинично значение за хората

За да оценят ефективността на материала при стимулиране на растежа на хрущяла, изследователите го тестват при овце с хрущялни дефекти в ставата на подбедрицата - сложна става в задните крайници, подобна на човешкото коляно.

Според Стъп изпитването върху моделно животно като овца е било от съществено значение. Подобно на човешкия, овчият хрущял е упорит и се възстановява изключително трудно. Овчите и човешките колена имат сходства и по отношение на издръжливостта на тежести, размера и механичните натоварвания.

„Изследването върху овчи модел е по-предсказуемо за това как лечението ще действа при хората“, обяснява Стъп. „При други по-малки животни регенерацията на хрущяла протича много по-лесно."

В проучването изследователите инжектират гъстия, подобен на паста материал в хрущялни дефекти, където той се превръща в гумена матрица. Не само че израства нов хрущял, за да запълни дефекта, докато скелето се разгражда, но и възстановената тъкан е с постоянно по-високо качество в сравнение с контролата.

Вляво: Контролен хрущял (оцветен със сафранин), показан с дефект в горната лява страна на изображението. Вдясно: Обработеният хрущял (оцветен със сафранин) показва, че дефектът е запълнен. Кредит: Samuel I. Stupp/Northwestern University

Трайно решение

В бъдеще Стъп си представя, че новият материал може да се прилага в ставите при операции на открити стави или артроскопски операции. Сегашният стандарт на лечение е микрофрактурната хирургия, по време на която хирурзите създават малки фрактури в основната кост, за да предизвикат растеж на нов хрущял.

„Основният проблем с микрофрактурния подход е, че често води до образуване на фиброхрущял - същия хрущял, който имаме в ушите си - за разлика от хиалиновия хрущял, който е необходим за функционирането на ставите“, обяснява Стъп. „Чрез регенериране на хиалиновия хрущял нашият подход би трябвало да е по-устойчив на износване, като по този начин ще се реши проблемът с лошата подвижност и болките в ставите в дългосрочен план, като същевременно се избегне необходимостта от реконструкция на ставите с големи парчета метал."

Справка: A bioactive supramolecular and covalent polymer scaffold for cartilage repair in a sheep model
Jacob A. Lewis, Brett Nemke, Yan Lu, +9, and Samuel I. Stupp; Proceedings of the National Academy of Sciences; August 6, 2024; 121 (33) e2405454121; https://doi.org/10.1073/pnas.2405454121

Източник:New biomaterial regrows damaged cartilage in joints, Northwestern University