Tkanka chrzęstna w przestrzeniach stawowych ulega degradacji w wyniku procesów zwyrodnieniowych, a organizm samodzielnie nie radzi sobie z odbudową powstałych ubytków. Naukowcy z AGH mają pomysł, jak wspomóc jej regenerację.
Kości w stawach mogą płynnie przesuwać się względem siebie m.in. dzięki temu, że ich powierzchnię stawową pokrywa tkanka chrzęstna. Jest ona gładka i elastyczna, w związku z czym minimalizuje tarcia zachodzące w trakcie ruchów. Jednak na skutek długotrwałych obciążeń stawów związanych z wykonywaną aktywnością czy naturalnych procesów starzenia tkanka chrzestna ulega stopniowej degradacji, co w dalszej kolejności prowadzi do zmian w kości podchrzęstnej. Osoby dotknięte zaawanasowanymi procesami zwyrodnieniowymi zmagają się z bólem i ograniczeniami ruchowymi, których skuteczne leczenie wymaga interwencji chirurgicznej.
Zachowawcze leczenie ubytków osteochondralnych jest zwykle nieskuteczne z uwagi na to, że chrząstki stawowe nie są ani unaczynione, ani unerwione. Po pierwsze, ze względu na brak naczyń krwionośnych do tkanki nie są dostarczane składniki odżywcze, które umożliwiają organizmowi samodzielną odbudowę ubytku. Po drugie, z uwagi na brak połączeń nerwowych symptomy bólowe pojawiają się u pacjentów dopiero wtedy, gdy tkanki chrzęstnej praktycznie już nie ma i uszkodzenie dochodzi do kości – wyjaśnia prof. Elżbieta Pamuła z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH, która specjalizuje się w projektowaniu materiałów na potrzeby medycyny regeneracyjnej.
Wykorzystać naturalne zdolności organizmu
Kierowany przez prof. Pamułę zespół uczestniczy w pracach międzynarodowego konsorcjum, które w ramach projektu finansowanego ze środków programu Horyzont Europa pracuje nad innowacyjną metodą wytwarzania bioimplantów przywracających stawom ich pierwotną funkcjonalność. Takie implanty nie przejmowałyby od razu upośledzonych funkcji stawu, ale umożliwiałyby organizmowi aktywowanie niewykorzystywanych miejscowo naturalnych zdolności regeneracyjnych do samodzielnej odbudowy tkanek.
Te materiały powinny mieć strukturę biomimetyczną, czyli pod względem właściwości mechanicznych i struktury na różnych poziomach odzwierciedlać naturę tkanki (np. liczbę porów i ich ułożenia względem siebie) – wskazuje prof. Pamuła.
Zadanie to wymaga zaprojektowania dwufazowego materiału, gdzie jedna faza będzie odpowiadała tkance kostnej, a druga chrzęstnej. Pierwsza stanowiłaby ceramiczne odwzorowanie istoty gąbczastej (tzw. rusztowanie) – budującej wnętrze kości i byłaby wzbogacona bioczynnikami przyciągający komórki macierzyste (multipotencjalne). Takie komórki, których w ludzkim organizmie rezerwuarem jest m.in. szpik kostny, posiadają zdolność do różnicowania się w kierunku dowolnych innych typów komórek. Kiedy komórki takie osiadałyby na części rusztowania odwzorowującego istotę gąbczastą, ulegałyby przemianie w osteoblasty – komórki kościotwórcze.
Druga faza – jej zaprojektowanie to właśnie rola zespołu z AGH – stanowiłaby hydrożelową imitację tkanki chrzęstnej. Byłaby ona zmodyfikowana komórkami pobranymi od pacjenta bądź wyselekcjonowanymi z banków tkanek, które byłyby zdolne do samodzielnego namnażania i odbudowy istniejącego ubytku.
Rozważane jest też inne podejście – zaprojektowanie materiału dwufazowego, który nie zawierałby takiego wzbogacenia komórkowego. Wówczas wytwarzane przez organizm pacjenta komórki multipotencjalne po dotarciu do miejsca, gdzie powinna zregenerować się tkanka kostna, różnicowałyby się w kierunku osteoblastów. Te natomiast przenikające wyżej trafiałby na środowisko sprzyjające ich różnicowaniu się w kierunku chondrocytów – komórek tkanki chrzęstnej.
Redukcja liczby testów na zwierzętach
W zamierzeniu naukowców, początkiem terapii chorego byłaby szczegółowa diagnostyka obrazowa miejsca ubytku. W oparciu o dostarczone przez nią dane i ze wsparciem metod modelowania matematycznego i sztucznej inteligencji byłby projektowany dokładnie dopasowany do każdego pacjenta implant, który odzwierciedlałby jego nano-, mikro- i makrostrukturę tkanek oraz ich właściwości mechaniczne. Obie fazy tworzącego go materiału mogłyby szybko i relatywnie tanio powstawać z wykorzystaniem druku 3D.
Wykorzystując tę technikę, można tworzyć implanty dokładnie dopasowane do powstałych u pacjentów ubytków. Jednak na drodze do tego, żeby komórki przeżywały, namnażały się i odbudowywały tkankę istnieje wciąż wiele wyzwań do pokonania – wskazuje badaczka z AGH.
W trakcie prowadzonych prac naukowcy będą rozwijać innowacyjne metody badawcze wykorzystujące tzw. organy na chipach oraz trójwymiarowe fizjologiczne modele in vitro. Nie tylko są one w stanie dostarczyć większej ilości danych niż hodowle komórkowe prowadzone tradycyjnymi metodami, ale też mogą w przyszłości zredukować bądź całkowicie wyeliminować konieczność wykonywania testów biochemicznych na zwierzętach.
Będziemy pracować na modelach organoidowych, czyli modułach tkankowych umożliwiających jednoczesne badanie naszych materiałów i komórek w skali mikroskopowej. Możemy uzyskać dzięki temu wiele informacji biologicznych, których nie są w stanie dostarczyć nam hodowle komórkowe prowadzone na płaskich podłożach – wyjaśnia prof. Pamuła.
Ulga dla pacjentów i szpitali
Obecnie w celu aktywowania w organizmie procesu regeneracji tkanki chrzęstnej również stosuje się zabiegi chirurgiczne. Do najczęściej wykonywanych należy technika mikrozłamań, która polega na usunięciu uszkodzonej chrząstki i nawierceniu w kości mikrootworów w celu uwolnienia znajdującego się w niej szpiku wraz ze znajdującymi się w nim komórkami macierzystymi. Te ostatnie różnicują się w wówczas w kierunku chondrocytów i namnażając się odbudowują istniejący ubytek. Stosuje się również zabiegi mozaikoplastyki, polegające na przeszczepie w miejsce uszkodzenia fragmentu kości wraz ze zdrową chrząstką z innego nieobciążonego miejsca w stawie. W nielicznych przypadkach przeprowadza się też implantację chondrocytów, które zostały wcześniej namnożone w laboratorium z komórek pobranych od pacjenta.
Jestem zdania, że w przypadku ubytków tkanki chrzęstno-kostnej należy korzystać z mało inwazyjnych metod leczenia, umożliwiających pacjentowi udanie się do domu krótko po zabiegu i satysfakcjonujące funkcjonowanie. Wstrzykiwanie implantów byłoby dobrym sposobem na to, żeby jego pobyt w placówce medycznej był jak najmniej obciążający dla systemu ochrony zdrowia i niego samego – przekonuje prof. Pamuła.
Prace prowadzone w ramach projektu EngVIPO zaplanowano na cztery lata. Oprócz AGH w konsorcjum uczestniczy siedem instytucji badawczych i firm z różnych krajów: Universytet Minho (Portugalia), Uniwersytet w Kragujevacu (Serbia), Uniwersytet Fryderyka i Aleksandra w Erlangen i Norymberdze (Niemcy), Uniwersytet w Grenadzie (Hiszpania), Ti-COM sp. z o.o. (Polska), A4TEC (Portugalia) oraz The Seventh Affiliated Hospital, Uniwersytet Sun Yat-sen (Chiny).
źródło: AGH