Примитивные стволовые клетки указывают на новые костные трансплантаты при переломах от упрямых к заживлению
Крупный план сложной микроархитектуры внеклеточного матрикса, полученного из плюрипотентных стволовых клеток. | Изображение: доктор Карл Грегори

Хотя большинство сломанных костей можно исправить с помощью твердого гипса и щедрой меры нежной любовной заботы, более сложные переломы требуют таких процедур, как пересадка кости. Исследователи из Техасского университета A & M создали превосходные костные трансплантаты с использованием примитивных стволовых клеток. Они обнаружили, что эти клетки помогают создавать очень плодородные каркасы, необходимые для регенерации кости в месте восстановления.

Исследователи сказали, что эти трансплантаты могут быть использованы для быстрого и точного заживления костей, чтобы пациенты извлекали максимальную пользу из хирургического вмешательства.

«Есть несколько проблем, которые могут возникнуть с ортопедическими имплантатами, например, воспаление и боль. Кроме того, они могут ослабнуть, требуя повторных операций, которые зачастую сложнее, чем оригинальная операция по установке имплантата», — доктор Роланд Каунас, доцент кафедры биомедицинской инженерии и соответствующий автор исследования. «Таким образом, ускоряя процесс заживления кости, наш материал может потенциально сократить количество этих ревизионных операций».

Исследователи опубликовали свои выводы в июньском номере журнала Nature Communications.

Каждый год около 600 000 человек в Соединенных Штатах испытывают задержку или неполное заживление кости. В некоторых из этих случаев врачи обращаются к хирургическим процедурам, которые включают пересадку костной ткани к месту ремонта. Эти костные трансплантаты, как правило, поступают из двух источников: собственная кость пациента из другого места на теле, называемого аутотрансплантатами, или сильно обработанные человеческие трупные кости.

Однако оба типа костных трансплантатов имеют свои недостатки. Например, аутотрансплантаты требуют дополнительной операции по удалению костной ткани, увеличивая время выздоровления пациентов и иногда хроническую боль. С другой стороны, трансплантаты, полученные из трупной кости, исключают необходимость в двух операциях, но эти трансплантаты, как правило, лишены многих биомолекул, способствующих восстановлению кости.

«Трансплантаты из трупной кости имеют некоторые физические свойства кости и даже немного биологической сущности, но они очень истощены с точки зрения их функциональности», — сказал доктор Карл Грегори, доцент Техасского университета A & M. Центр наук о здоровье, также соответствующий автор исследования. «Мы хотели создать костный трансплантат, где мы могли бы экспериментально запустить механизмы, так сказать, сделать их более биологически активными».

Предыдущие исследования показали, что стволовые клетки, особенно тип, называемый мезенхимальными стволовыми клетками, могут использоваться для производства биологически активных костных трансплантатов. В частности, эти клетки превращаются в костные клетки, которые производят материалы, необходимые для создания лесов или внеклеточного матрикса, которые нужны костям для их роста и выживания.


Кредит: Матрица, похожая на строительные леса, богата регенерирующими материалами. | Видео: Dharmesh Patel/Texas A & M Engineering

Однако эти стволовые клетки обычно извлекаются из костного мозга взрослой кости и, как следствие, стареют. По словам Каунаса, их возраст влияет на способность клеток делиться и производить больше драгоценного внеклеточного матрикса.

Чтобы обойти эту проблему, исследователи обратились к клеточным предкам мезенхимальных стволовых клеток, называемым плюрипотентными стволовыми клетками. В отличие от взрослых мезенхимальных клеток, которые имеют относительно короткое время жизни, они отметили, что эти примитивные клетки могут продолжать пролиферировать, создавая тем самым неограниченный запас мезенхимальных стволовых клеток, необходимых для образования внеклеточного матрикса для костных трансплантатов. Они добавили, что плюрипотентные клетки могут быть получены путем генетического перепрограммирования донорских взрослых клеток.

Когда исследователи экспериментально заставили плюрипотентные стволовые клетки создавать совершенно новые мезенхимальные стволовые клетки, они смогли генерировать внеклеточный матрикс, который был гораздо более биологически активным по сравнению с тем, который генерировали мезенхимальные клетки, полученные из кости взрослого человека.

«Наши материалы были не только обогащены биологическими молекулами, которые необходимы для формирования объемной части костной ткани, но и факторами роста, которые управляют образованием кровеносных сосудов», — сказал Грегори.

Чтобы проверить эффективность их строительных лесов в качестве костного трансплантата, они затем осторожно извлекли и очистили обогащенный внеклеточный матрикс, а затем имплантировали его в область дефектов кости. Изучив состояние восстановления костей в течение нескольких недель, они обнаружили, что их матрица, полученная из плюрипотентных стволовых клеток, была в пять-шесть раз эффективнее, чем лучший одобренный FDA стимулятор трансплантата.

«Анализы восстановления кости с использованием золотого стандарта трансплантатов, подобных тем, которые вводятся с помощью мощного стимулятора роста костей, называемого костным морфогенным белком-2, могут занять около восьми недель, но мы получили полное излечение за четыре недели», — сказал Грегори. «Таким образом, в этих условиях наш материал превзошел эффективность костного морфогенного белка-2 в долгосрочной перспективе, что свидетельствует о значительном улучшении современных технологий восстановления костей».

Исследователи также сказали, что с клинической точки зрения трансплантаты могут быть встроены в многочисленные инженерные имплантаты, такие как имплантаты с трехмерной печатью или металлические винты, так что эти части лучше интегрируются с окружающей костью. Они также отметили, что костные трансплантаты также будут легче производить и, следовательно, являются выгодными с точки зрения производства.

«Наш материал очень перспективен, потому что плюрипотентные стволовые клетки в идеале могут генерировать множество партий внеклеточного матрикса только от одного донора, что значительно упростит крупномасштабное производство этих костных трансплантатов», — сказал Каунас.




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *