Исследователи используют выращенные в лаборатории тканевые трансплантаты для индивидуальной замены суставов
Один каркас на одной стороне коллектора биореактора. Предоставлено: Дэвид Чен и Жозефина Ву/Columbia Engineering.

14 октября 2020 г. — височно-нижнечелюстной сустав (ВНЧС), который образует заднюю часть нижней челюсти и соединяет вашу челюсть с черепом, представляет собой анатомически сложную и высоконагруженную структуру, состоящую из хряща и кости. Только в США около 10 миллионов человек страдают дисфункцией ВНЧС из-за врожденных дефектов, травм или болезней. Современные методы лечения варьируются от инъекций стероидов, которые обеспечивают только временное облегчение боли, до хирургических реконструкций с использованием протезов или донорской ткани, и часто не обеспечивают длительного восстановления. Исследователи искали лучший способ лечения ВНЧС, включая исследование биологических трансплантатов ВНЧС, выращенных в лаборатории, которые могли бы интегрироваться с естественными тканями, со временем реконструировать сустав и обеспечивать пожизненное функционирование пациента.

Многопрофильная группа специалистов из Columbia Engineering, Колумбийского колледжа стоматологической медицины и медицинского факультета, Университета штата Луизиана, LaCell LLC и Obatala Sciences создала биоинженерные трансплантаты ВНЧС из хрящевой ткани, точно соответствующие реципиенту, как биологически, так и анатомически. . Их последнее исследование, опубликованное сегодня в журнале Science Translational Medicine, основано на длинной серии их предыдущих разработок, начатых в 2005 году по биоинженерии функциональных хрящей и костей для регенеративной медицины и тканевых моделей болезней.

Авторы использовали мини-свинью Юкатана для разработки своей методологии реконструкции височно-нижнечелюстного сустава с использованием собственных клеток реципиентов. Команда выделила стволовые клетки из небольшого количества жира, полученного от каждого животного, увеличила количество клеток в культуре, чтобы получить достаточное количество для большого трансплантата, и индуцировала их в хрящевые и костеобразующие клетки. Используя изготовление под визуализацией, исследователи сформировали блок из используемого в клинических условиях децеллюляризованного матрикса бычьей кости в точную геометрию восстанавливаемого ВНЧС. Они наполнили этот каркас костеобразующими клетками, вызывая образование хряща путем уплотнения поверхностного слоя конденсированных мезенхимальных клеток толщиной 1 мм. Они построили подходящую камеру биореактора так, чтобы каркас плотно входил в нее, как рука в перчатке.

Исследователи используют выращенные в лаборатории тканевые трансплантаты для индивидуальной замены суставов
Подробная морфология биоинженерного трансплантата через 6 месяцев после имплантации (слева) по сравнению с нативным суставом (справа). Отчетливые фиброзные, пролиферативные и гипертрофические зоны в хрящевом слое хорошо известны. Морилка: пентахром. Предоставлено: Дэвид Чен и Жозефина Ву/Columbia Engineering.

Поскольку хрящ и кость образуются в разных условиях окружающей среды, для формирования трансплантатов ВНЧС требовался специализированный биореактор, который обеспечивал раздельную подачу среды для культивирования кости и хряща в две области ткани. Исследователи оптимизировали перфузию питательной среды через кость и поток по поверхности хряща, чтобы удовлетворить совершенно разные потребности в питании и физических сигналах двух тканей. После того, как все эти сложные условия были выполнены, команда имплантировала индивидуализированные трансплантаты ВНЧС экспериментальным животным на шесть месяцев, чтобы определить способность трансплантатов структурно и функционально заменять нативный сустав.

«То, что мы обнаружили в этой новой работе, может быть трансформирующим», — говорит PI Гордана Вуньяк-Новакович, профессор университета, профессор биомедицинской инженерии и медицинских наук Фонда Микати и профессор стоматологической медицины. «Эти трансплантаты имели многослойный внешний вид, подобный нативному, хорошо интегрировались с окружающими тканями и обеспечивали биологическую и механическую функцию нативного сустава. Мы считаем, что эту методологию можно распространить на биоинженерию других суставов и на создание высокоточных моделей. для изучения заболеваний суставов «.

Вуньяк-Новакович отметила, что размер и профиль межведомственной исследовательской группы из 18 исследователей, обладающих опытом в области биоинженерии, хирургии, стволовых клеток, визуализации, дизайна биореакторов и математического моделирования, отражают сложность этого трансляционного проекта, на который потребовалось четыре года на завершение.

Видеомоделирование перфузии среды через костную область культивируемого трансплантата и потока среды по поверхности хряща. Предоставлено: Дэвид Чен и Жозефина Ву/Columbia Engineering.

Использование двухпоточного биореактора имело решающее значение для исследования. «Разработка этого единственного в своем роде биореактора сыграла важную роль в формировании композитных хрящево-костных трансплантатов», — говорит Вуньяк-Новакович. «Каждая ткань удерживалась в своей собственной» нише «, обеспечивая при этом связь между хрящом и костью посредством диффузионных факторов, как и в нашем организме. Принятие решения о сложной форме ВНЧС было дополнительной трудностью, которую нам нужно было преодолеть с помощью творческих экспериментов и моделирования. исследования «

Ведущие авторы исследования Дэвид Чен и Джозефин Ву, доктор биомедицинской инженерии. студенты, которые работают в лаборатории Вуньяк-Новаковича, добавляют: «Наблюдение за эволюцией наших тканевых трансплантатов было чрезвычайно захватывающим. Каждый этап казался важной вехой, от создания зарождающегося тонкого слоя хряща в лаборатории до первого проблеска после имплантации в зажившая суставная щель с полностью сформированным многослойным хрящом «

По совпадению, исследование публикуется в то время, когда epiBone, компания, созданная из лаборатории Вуньяка-Новаковича для разработки линейки продуктов для костей, хрящей и композитных костно-хрящевых продуктов, начинает фазу I/II клинического исследования. оценить его костный продукт у пациентов с дефектами целостности нижней челюсти, требующими реконструкции. Это клиническое испытание предназначено для создания живых костных трансплантатов, которые могут стать бесшовной частью тела пациента, на основе той же фундаментальной технологии, что и настоящее исследование.

Исследователи подчеркивают, что необходимо проделать дополнительную работу, прежде чем индивидуализированные трансплантаты ВНЧС станут клинической реальностью. Для полного понимания процесса ремоделирования тканей необходимы исследования в течение более длительных периодов времени. Кроме того, исследователи заинтересованы в расширении своей методологии для изучения разнообразия популяции пациентов и изучения восстановления ВНЧС в зависимости от возраста, пола, наличия заболеваний скелета или соответствующих системных состояний.




Добавить комментарий

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