Відновлення кісткової вставки - наука для здоров’я

Підзаголовок

Біоінженерія на порятунок нашого скелета

Хоча трансплантація кісткової тканини зараз є загальним явищем для відновлення кістки після перелому чи іншої травми, ця стратегія має обмеження. Ось чому дослідники намагаються отримати синтетичні або гібридні фрагменти кісток (включаючи стовбурові клітини). Це передбачає розробку біоматеріалів, які є одночасно гнучкими та стійкими, але також пористими, щоб їх можна було колонізувати клітинами. Для отримання спеціальних «деталей» 3D-друк дуже допомагає.

Час читання

15 хвилин

Останнє оновлення

11.01.16

Файл, створений у співпраці з Hervé Petite, Лабораторією біоінженерії та кістково-суглобової біомеханіки (UMR 7052 - CNRS/Université Paris-Diderot) - листопад 2016 р.

Зрозумійте проблему

Кістка, тканина, що постійно змінюється

Кістка постійно піддається процесу оновлення та відновлення: таким чином наш кістковий капітал пристосовується до біомеханічних вимог нашого існування, замінюючи стару тканину новою.

Як це працює? Кістки складаються з клітин, остеоцити, оточений мінералізованим позаклітинним матриксом. Цей матрикс оновлюється завдяки балансу між дією двох типів клітин: остеобластів та остеокластів. остеобласти синтезують кістковий матрикс, тоді як остеокласти усунути старіння кісткової тканини під впливом різних гормонів та механічних навантажень.

Цей процес надає кістці дивовижні властивості самовідновлення, завдяки чому вона може регенерувати при пошкодженні. Таким чином, після перелому, перестановки та утримання кінцівки, як правило, достатньо для загоєння: утворюючи нову тканину, процесостеогенез заповнює щілину внаслідок перелому, відновлюючи функціональну ефективність кістки.

Коли кістка не відновлюється самостійно

Однак у деяких випадках цього природного процесу самовідновлення недостатньо: приблизно кожна десята механічна або біологічна проблема перешкоджає самозаживленню перелому. Крім того, певні патології (наприклад, псевдоартроз) або хірургічні втручання (видалення пухлин, кіст, інфекційних вогнищ) можуть призвести до значних втрат кісткової речовини, остеогенезу яких буде недостатньо для лікування. Потім необхідно допомогти реконструкції кістки.

У цьому вся суть кісткова біоінженерія. Ми також іноді говоримо про це біоортопедія, дисципліна, за допомогою якої дослідники, лікарі та фахівці з матеріалів прагнуть відновити функціональну скелетну тканину з хорошими біологічними та механічними властивостями.

Пересадка кісток та її межі

Автотрансплантація

Першим рішенням, яке розглядається для відновлення кістки, є трансплантація кісткової фракції, взятої з інших місць тіла пацієнта. Це називається аутотрансплантатом кістки. Місцем, вибраним для збору трансплантата, часто є клубовий гребінь (верхній край тазової кістки). Губчаста, кортикальна або кортикоспонгічна частина кістки видаляється, залежно від очікуваної користі. Коркова кістка щільніша, міцніша і менш крихка, ніж губчаста кістка; останній, однак, являє собою резервуар стовбурових клітин, здатних після трансплантації виробляти кісткову тканину.

Аутологічна трансплантація не дає захисної імунної відповіді, оскільки тканина надходить від пацієнта. Однак це призводить до значна загибель клітин у трансплантованій тканині. Потужність трансплантата виробляти нові кісткові клітини може компенсувати цю втрату, але це, зокрема, залежить від судинності трансплантата. Останнє дійсно має важливе значення для реконструйованої кістки: судини забезпечують енергію та поживні речовини, необхідні для проліферації клітин. Крім того, передбачається аутотрансплантація дві операції (видалення, потім пересадка) які можуть спричинити ускладнення (біль, абсцес, невралгія). Розмір трансплантата необхідне для заповнення - ще одне важливе обмеження.

Трансплантація з донором

Коли кістковий трансплантат походить від донора, він викликається алотрансплантат . Кісткові банки, що використовуються для цього терапевтичного підходу, по суті складаються із зразків, відібраних під час встановлення протезів стегна. Тканина, взята під час цієї операції (головка стегнової кістки), піддається різним обробкам для усунення кісткових, хрящових, судинних та кров’яних стовбурових клітин з високим потенціалом імунного відторгнення. Ми зберігаємо лише мінеральний каркас, зберігається при дуже низькій температурі для подальшої трансплантації пацієнтам.

Однак алотрансплантат не індукує формування кістки: він служить щонайбільше орієнтиром, за яким кістка зможе відрости. Але ця реколонізація, як правило, дуже обмежена. Крім того, проводиться робота з виробництва замінників кісток із подібними властивостями, але також здатних утворювати нову кісткову тканину.

Проблеми дослідження

Кісткові замінники: робот-портрет ідеального біоматеріалу

Біоматеріал служить фізичним середовищем, на якому клітини можуть прилипати, мігрувати, розмножуватися та диференціюватися. Щоб усунути ураження, що вражає кістку, біоматеріал повинен мати три важливі властивості:

остеопровідність, що позначає здатність матеріалу діяти як пасивна опора для росту кісток,
остеоіндукція, властивість матеріалу, що містить білки, виділення яких індукує біологічний каскад, необхідний для формування кісток,
остеогенність, властивість матеріалу, що містить клітини, здатні синтезувати кісткову тканину.

Він також повинен бути пористим і розсмоктувальним:

пористість матеріал - один із ключових елементів успіху. Його об’єм пористості (порожній об’єм всередині), розмір пір та їх взаємозв’язок мають великий вплив на здатність імплантату васкуляризуватися та поступово реабсорбуватися.

розсмоктування біоматеріал повинен виникати одночасно з утворенням нових кісток. Дійсно, якщо вона надто швидко руйнується, вона не може служити опорою для формування кістки, а в результаті з’являється волокниста тканина, непридатна для заповнення кістки. І навпаки, якщо він розкладається занадто повільно, стійкість біоматеріалу запобіжить утворенню кісток через брак місця.

У деяких клінічних показаннях, наприклад для заміщення кісток обличчя, використовуються не біологічно розкладаються матеріали, щоб підтримувати форму структури. Проблема тут полягає в тому, щоб утримати новоутворену кістку на місці, поки вона більше не стимулюється механічними навантаженнями (остання перенаправляється в імплантат).

Кісткові замінники: спектр біоматеріалів

Кілька видів матеріалів використовуються як пасивна підтримка колонізації клітин і тканин: це може бути натуральна або синтетична кераміка, або різні матеріали природного походження хімічний склад якого подібний до мінеральної фази кістки.

Використовувані біоматеріали природного походження надходять із різних джерел: наприклад, ми можемо навестикерамізована бичача кістка абокораловий екзоскелет (поріти), карбонат кальцію, який виявляє цікаві остеопровідні та біомеханічні властивості.

Найпоширенішими синтетичними біоматеріалами для заповнення кісткових дефектів єгідроксиапатит та трикальційфосфати, два мінеральні види сімейства фосфатних, чисті або у вигляді суміші. Їх можна приготувати у вигляді блоків або гранул. Контроль щільності, розміру зерен і пористості визначатиме поведінку матеріалу in vivo.

Два перспективні біоматеріали

В рамках проектів MATRI + дослідники працюють над розробкою дешевої, біологічно розкладається «готової до використання» пористої матриці. Цей біоматеріал складається з природні полімери і D 'нанокристалічний гідроксиапатит. Він позбавлений факторів росту і клітин. Він запускає процес регенерації ураження кістки після 30 днів імплантації гризуну. Його розвиток потребуватиме перевірки на моделі великих тварин (наприклад, овець) у двох цільових програмах: в ортопедії та в щелепно-лицьовій хірургії.

Дослідники з кістково-суглобової та зуботехнічної лабораторії (LIOAD, відділ 791 Inserm/Університет Нанта) у співпраці з Інститутом матеріалів Жана Рукселя (CNRS/Університет Нанта) також розробили піна для більш ефективного та швидкого усунення переломів кісток. Дослідникам вдалося створити дуже аерований цемент, змішавши його з повітрям. Це допомагає створити великі пори, в яких клітини навколо перелому кістки можуть циркулювати, покращуючи та прискорюючи регенерацію кістки. Цей новий біоматеріал може бути випробуваний протягом наступних п’яти років на людях. Зрештою, його можна використати для відновлення переломів хребців або для закріплення інших переломів кісток.

Останні технології виробництва добавок дозволяють контролювати внутрішню архітектуру імплантату, а також його форму. Таким чином, можна отримати інтимний контакт між імплантатом і кістковими краями. Для цього ми використовуємо3D друк, з комп'ютерного файлу, що точно моделює форму кістки, яку слід надрукувати. Стартапи вже пропонують такий тип послуг на звичайній основі.

Обіцянка мезенхімальних стовбурових клітин

Як і в багатьох сферах біоінженерії, в даний час дослідники розглядають, як найкраще використовувати стовбурові клітини, здатні диференціюватись у багато спеціалізованих клітин, для виробництва кісток.

Найкращі кандидати, безумовно, мезенхімальні стовбурові клітини (МСК), що ми знаємо, як ізолювати та культивувати. Кістковий мозок є їх природним резервуаром, але він також міститься в жировій тканині ... так що ви можете зробити кістку з жиру! Ідея полягає в поєднанні цих клітин з пористим замінником біоматеріалу. Останній буде служити матриксом, на якому клітини можуть розвиватися, утворюючи кісткову тканину. Тоді властивості остеоіндукції та остеогенності біоматеріалу є визначальними.

Конкретно, МСК, попередньо поміщені в пористу підставку, пересаджуються на рівень ураження кістки, що підлягає лікуванню. МСК повинні пережити трансплантацію, розмножуватися, диференціюватися в остеобласти та прикріплювати нову кісткову тканину до поверхні матеріалу. Це зменшиться одночасно з новим утворенням кісток. Перші тести призвели до масивної загибелі клітин у перші тижні після трансплантації, ймовірно, через дефіцит глюкози в період після імплантації. Оскільки клітини більше не отримували поживних речовин (і, отже, енергії), необхідних для функціонування, вони загинули. Щоб подолати цю складність, дослідники намагаються це зробити розробити інноваційні матеріали, в яких МСК можуть вижити після трансплантації, незважаючи на тимчасову відсутність кровоносних судин.

Це мета нантської команди (LPRO, підрозділ 957 Інсерм/Нантський університет), яка працює над гібридними матеріалами в рамках проекту НАРОДЖИТИСЯ (для регенеруючих дефектів кісток за допомогою нових підходів до біомедичної інженерії). Це біоматеріали, що складаються з біокераміки фосфату кальцію або гідрогелів, слугуючи риштуванням, пов’язаним із стовбуровими клітинами та факторами росту та диференціації. Вони вводяться через шкіру і стимулюють формування кісток. П’ять клінічних досліджень фінансуються Європейською Комісією. Вони проводяться у восьми європейських країнах і включають близько 20 пацієнтів: три стосуються лікування переломів довгих кісток та остеонекрозу шийки стегна у дітей та дорослих. Інші два стосуються щелепно-лицевої хірургії, спрямованої або на збільшення кісткової маси перед імплантацією зубів, або на реконструкцію розщеленого піднебіння у дітей.