Umělá chrupavka - Artificial cartilage

Umělá chrupavka je syntetický materiál vyroben z hydrogely nebo polymery jehož cílem je napodobit funkční vlastnosti přírodních chrupavka v lidském těle. Tkáňové inženýrství principy se používají k vytvořenírozložitelný a biokompatibilní materiál, který může nahradit chrupavku.[1] Při vytváření užitečného materiálu ze syntetické chrupavky je třeba překonat určité výzvy. Za prvé, chrupavka je avaskulární struktura v těle, a proto se neopravuje.[2] To vytváří problémy v regenerace tkáně. Syntetická chrupavka musí být také stabilně připevněna k jejímu podkladovému povrchu, kost. A konečně, v případě vytváření syntetické chrupavky pro použití v společné prostory, vysoká mechanická síla pod komprese musí být vnitřní vlastností materiálu.[3]

Přírodní chrupavka

V lidském těle existují tři typy chrupavky: fibrokartilage, hyalinní chrupavka a elastická chrupavka.[2] Každý typ chrupavky má různé koncentrace složek, jako jsou proteoglykany, kolagen a voda, která určuje jeho funkční vlastnosti a umístění v těle. Fibrokartilage se nejčastěji nachází v meziobratlové ploténky, elastická chrupavka se nachází ve vnějším uchu a hyalinní chrupavka se nachází na mnoha kloubních površích v těle. Náhrada hyalinní chrupavky (kloubní chrupavky) je nejčastější aplikací syntetické chrupavky.

Kloubní chrupavka

Chrupavka je avaskulární, aneurologická a alymfatická tkáň v těle.[4] Extracelulární matrix (ECM) kolagenu mu dodává vysokou sílu. Obrázek níže ukazuje komponenty ECM.

Součásti

  • Složky extracelulární matrix chrupavky včetně proteoglykanových agregátů, kolagenu, integrinů a fibronektinu.
    Voda: Voda tvoří asi 80% chrupavky.[1]
  • Chondrocyty: Chondrocyty jsou buňky, které produkují a udržují chrupavkovou matrici. Jsou rozptýleny rozptýleny po chrupavce a tvoří pouze asi 2% z celkového objemu chrupavky.[4] Chondrocyty se liší velikostí, tvarem a koncentrací v závislosti na jejich umístění v kloubní chrupavce.[4]
  • Kolagen: Kolagen je strukturní protein přítomný v extracelulární matrici chrupavky. Kolagen je složen ze struktury trojité šroubovice polypeptidových řetězců a nabízí chrupavce smykové a tahové vlastnosti.[4] Kolagen typu II je nejběžnějším typem kolagenu přítomného v chrupavce, ačkoli jsou také přítomny typy IX, X, XI a XIV.[1] Celkově je kolagen stabilizujícím proteinem přítomným v ECM.
  • Proteoglykany: Proteoglykany jsou druhou nejhojnější makromolekulou v ECM chrupavky.[4] Proteoglykany se skládají z linkerového proteinu spolu s jádrovým proteinem, ke kterému se váží glykosaminoglykany (GAG). Nejběžnějšími GAG jsou chondroitinsulfát a keratinsulfát. Proteoglykany se připojují k centrálnímu řetězci, obvykle kyselině hyaluronové, prostřednictvím linkerového proteinu, aby vytvořily větší agregáty proteoglykanů.[2] Proteoglykany jsou hydrofilní, a proto přitahují a zadržují molekuly vody. To poskytuje chrupavce její vnitřní schopnost odolat kompresi.
  • Glykoproteiny: Mnoho dalších glykoproteinů je přítomno v ECM chrupavky v malém množství, které pomáhá udržovat strukturu a organizaci.[4] Lubricin konkrétně pomáhá vytvářet mazací povrch na chrupavce pro snadnější pohyblivost kloubů.[1] Fibronektin a integriny další přítomné glykoproteiny, které pomáhají při adhezi chondrocytů k ECM.
Strukturální zóny v chrupavce včetně uspořádání chondrocytů a kolagenu.

Struktura

V kloubní chrupavce jsou tři strukturní zóny, včetně povrchové tangenciální zóny, střední přechodové zóny a hluboké zóny. V tangenciální zóně jsou kolagenová vlákna vyrovnána rovnoběžně s povrchem a postupně se náhodně vyrovnávají při pohybu do hluboké zóny. Kolagenová vlákna v povrchové zóně jsou zarovnána rovnoběžně s povrchem, aby se omezilo smykové napětí. Podobně jsou kolagenová vlákna vyrovnána kolmo k povrchu v hluboké zóně, aby se omezily tlakové síly.[4] Mezi kostí a hlubokou zónou leží kalcifikovaná chrupavka. Uspořádání buněk se také liší mezi zónami, v hlubších zónách se chondrocyty skládají do sloupců, zatímco v povrchových zónách jsou uspořádány náhodně.[2] V povrchových oblastech jsou buňky také protáhlejší, zatímco v hlubších zónách jsou sférickější.[4]

Umělá chrupavka

Syntetická chrupavka může být složena z mnoha různých materiálů, které napodobují její funkční vlastnosti. Mezi principy tkáňového inženýrství patří použití buněk, růstových faktorů a syntetických lešení.[5]

Součásti

  • Buňky: Chondrocyty jsou zřejmou volbou pro regeneraci chrupavky díky své schopnosti vylučovat kolagen a další složky ECM nezbytné pro funkční vlastnosti chrupavky.[5] Chondrocyty mohou být sklizeny z kloubního prostoru bez hmotnosti nesoucího jednotlivce a kultivovány. Chondrocyty sklizené od jednotlivců se bohužel mohou dediferencovat a ztratit své vlastnosti. Stárnoucí chondrocyty navíc vykazují nižší metabolickou aktivitu a nemusí produkovat funkční proteiny nebo nedostatek funkčních proteinů k vytvoření požadovaného ECM. Mezenchymální kmenové buňky lze také použít k vytvoření chondrocytů a umožnit regeneraci chrupavky.[5]
  • Faktory růstu: Růstové faktory lze použít k indukci diferenciace buňky nebo k sekreci proteinů matrice. Mezi běžné růstové faktory pro aplikaci syntetické chrupavky patří Inzulínový růstový faktor 1 (IGF-1), Transformující růstový faktor β (TGF- β), Kostní morfogenní proteiny (BMP) a faktor růstu a diferenciace 5 (GDF-5).[5]

Struktura

  • Lešení se používají v tkáňovém inženýrství k vytvoření prostředí s podobnými mechanickými vlastnostmi nativní tkáně. Lešení musí být biokompatibilní a musí mít vysokou pevnost v tlaku. Lešení mohou být vytvořena z hydrogelů, polymerů nebo jiného materiálu. Hydrogely jsou lehce zesítěné polymerní sítě nabobtnané vodou. Stupeň zesíťování, pórovitost a polymerní složení lze vyladit tak, aby vytvořil hydrogel s podobnými vlastnostmi jako přirozená chrupavka.[5]

Funkce

Přírodní kloubní chrupavka je nehomogenní, anizotropní, a viskoelastický tkáň.[6] Struktura popsaná výše 1.1.2. umožňuje chrupavčité tkáni mít vynikající mechanické vlastnosti, aby mohla vykonávat nezbytné funkce. Syntetická chrupavka se pokusí napodobit funkční vlastnosti přirozené chrupavky, které lze rozdělit na dva hlavní aspekty.

  • Zatížení nosné vlastnosti: Jednou z hlavních funkcí kloubní chrupavky je, že má schopnost efektivně přenášet opakované cyklické zatížení na kost. Tato tlaková zátěž může být několikanásobkem tělesné hmotnosti v důsledku činností, jako je chůze a běh, avšak chrupavka dosahuje této funkce rozptýlením energie.[6]
  • Tribologické vlastnosti: Druhou hlavní funkcí kloubní chrupavky je, že může mít malé nebo žádné opotřebení v průběhu celého života. Této funkce dosahuje tím, že poskytuje mazaný povrch s a koeficient tření téměř nula.[6] Vytvořením hladkého povrchu toto mazání zabraňuje adhezi buněk i bílkovin a zároveň chrání kloubní chrupavku před poškozením.[7]

To jsou důležité funkce chrupavky kvůli její roli jako polštáře v artikulaci kostí.[8] Při poškození a degradace dojde k kloubní chrupavce, bez ní již nevydrží velkou zátěž bolest a nepohodlí jedince v důsledku snížení mechanických vlastností.

Po analýze únosnosti a tribologických vlastností přirozené chrupavky lze těchto mechanických vlastností dosáhnout v závislosti na struktuře a složkách vytvořeného hydrogelu, o nichž bude pojednáno dále v části Stávající metody.[9] Tyto optimální vlastnosti lze poté porovnat s vytvořenou syntetickou chrupavkou. Vlastnosti vytvořených hydrogelů se mohou dramaticky lišit v závislosti na složkách a struktuře.[6] Dále je extrémně obtížné dosáhnout všech mechanických funkcí přirozené chrupavky, což je konečný cíl syntetické chrupavky.

Při práci s vytvářením hydrogelů je třeba vzít v úvahu další funkce. Například hydrogel musí mít správné vlastnosti odbourávání, aby se dosáhlo regenerace buněk ve správném časovém rámci, který hydrogelu odbourá. Hydrogel se navíc nesmí vytvářet toxický odpad při degradaci. Tyto funkce byly testovány porovnáním stres, modul a obsah vody před a po implantaci různých složení hydrogelů.[10]

Stávající metody

Existuje mnoho existujících metod týkajících se regeneračních terapií chrupavky a vývoje nových umělých chrupavek. Nejprve budou diskutovány regenerační terapie pro osteoartrózu. V posledních letech došlo ve vývoji těchto regeneračních terapií k podstatnému pokroku. Patří mezi ně anti-degradace, protizánětlivé látky a regenerace chrupavky na základě buněk a lešení.

Anti-degradace

Bylo použito mnoho biologických látek a chemických sloučenin, aby se zabránilo enzymům degradujícím matrici, které aktivně pracují na degradaci chrupavky. Monoklonální protilátky, nejčastěji studované jako 12F4.1H7, pracují na specifickém potlačení uvolňování agrekanu vyvolaného ADAMTS-5. To zase pomáhá zpomalit degradaci chrupavky a tvorbu osteofytů.[11]

Protizánětlivé

Inhibici zánětlivých mediátorů by mohlo pomoci zabránit artróza postup. Cytokiny a chemokiny jsou klíčové při stimulaci katabolismu chrupavky a blokování těchto zánětlivých mediátorů. Studie prokázaly, že léčba inhibitorem dráhy NF-kB BAY11-7082 obnovuje inhibici IL-1b chondrogeneze chrupavky kmenové buňky a zase odkládá progresi OA. Podobně velký výzkum ukazuje, že kombinovaná blokáda TNFa a IL-17 s bispecifickým protilátky odhaluje inhibici obou cytokinů pro sníženou degradaci chrupavky a prozánětlivé reakce.[11]

Regenerace chrupavky na bázi buněk a lešení

Aby bylo možné obnovit kloubní chrupavku po poranění v důsledku ztráty chondrocytů, bylo prokázáno, že v některých studiích funguje buněčná terapie a doplňování chondrocytů. Ležící samostatně sestavené MSC (mezenchymální kmenové buňky ) nahoře naloženo chondrocyty hydrogel lešení prokázal buněčně zprostředkovanou regeneraci hyalinní -jako chrupavka. Nevýhodou však je, že implantace těchto lešení vyžaduje operaci otevřeného kloubu, aby se shromáždily dárcovské chondrocyty z oblastí kloubních chrupavek bez hmotnosti. To ztěžuje použití u starších osob.[11]

Spolu s regeneračními terapiemi existuje také několik studií, které ukazují způsoby, jak vyvinout novou umělou chrupavku.

3D tkané vláknové lešení infiltrované síťovými hydrogely

Jedna studie diskutovala, že 3D tkaná vlákna poskytují nosné tibologické vlastnosti nativní chrupavky, kde se snaží dosáhnout prostředí téměř bez tření. Hydrogely se používají jako nosiče buněk, protože je lze snadno naočkovat buňkami. Je však obtížné znovu vytvořit jak biomechanické, tak chemické funkce přirozené tkáně. Hydrogely tlumočnických sítí (IPN) jsou dva různé polymery smíchány navzájem v molekulárním měřítku. Tím se zvyšuje lomová houževnatost. Jsou to iontově zesítěné sítě se speciálním typem IPN, které jsou schopné rozptylovat mechanickou energii při zachování tvaru hydrogelu po deformaci.[6]

Strukturu hydrogelu s dvojitou sítí lze vidět kombinací zobrazeného modrého a červeného hydrogelu.

Hydrogely s dvojitou sítí

Podobně jako v předchozí studii se používají hydrogely s dvojnou sítí. Skládají se ze dvou druhů hydrofilní polymery. Po 6 týdnech implantace se ukázaly vzorky ve srovnání se vzorky bez léčby biologicky odbouratelný vlastnosti. Při použití kyseliny poly (2-akrylamid-2-methylpropansulfonové) / poly (N, N'-dimethylakrylamidu) nebo PAMPS / PDMAAm došlo ke zvýšení konečného napětí a modulu tangenty. Při použití bakteriálních celulóza a želatina, vykázal pokles o konečný stres a nesplňoval požadavky na umělou chrupavku.[10]

Klinické aplikace

Při pohledu na účinnost umělé chrupavky je nesmírně důležité zvážit klinickou aplikaci. Níže jsou popsány nedávné klinické přístupy k regeneraci chrupavky při léčbě osteoartrózy.

Terapie založená na MSC

V některých studiích prokázala implantace mezenchymálních kmenových buněk maticí dřívější klinická zlepšení ve srovnání s jednoduchou implantací chondrocytů. MSC podporovaly regeneraci chrupavky v kolenou s osteoartritidou a také snižovaly bolest a invaliditu.[11]

PVP / PVA hydrogely pro náhradu kloubní chrupavky

Poly (vinylalkohol) (PVA) hydrogely byly použity v této studii. Pomocí tohoto hydrogelu bylo obtížné splnit mechanické vlastnosti kloubní chrupavky. U této umělé chrupavky PVA nedošlo k žádným zánětlivým nebo degenerativním změnám v kloubní chrupavce nebo synoviální membráně. Byly také studovány PVP hydrogely. Vykazují vysokou hydrofilnost, biokompatibilitu a komplexační schopnost. Když byly použity jako směs hydrogelu PVA / PVP, vytvořily podobnou vnitřní 3D strukturu a obsah vody jako přirozená kloubní chrupavka. Nejlepší mechanické vlastnosti a třecí systém byly smíchány hydrogel s 1 hmot. % PVP. Kvůli většímu řetězci vodíkové vazby, přidání PVP k čistému PVA se ukázalo jako lepší volba. Jednali přesně s charakteristikou viskoelastický chování kloubní chrupavky.[9]

Budoucí práce

Pokud jde o budoucí práci, v této oblasti je stále co dělat. Umělá chrupavka je novým výzkumným tématem a stále není mnoho známo. Existuje mnoho neznámých faktorů zahrnujících ASCP a je třeba provést více studií, aby bylo možné učinit více podporovaný závěr o regeneračních funkcích ASCP.[12] Kromě toho byly důkladně hodnoceny růstové faktory, nicméně je třeba ještě studovat konkrétní kombinace, aby se účinněji vytvořila tkáň, která může napodobovat vlastnosti přirozené chrupavky.[8]

Reference

  1. ^ A b C d Armiento AR, Stoddart MJ, Alini M, Eglin D (leden 2018). „Biomateriály pro tkáňové inženýrství kloubní chrupavky: Učení se z biologie“. Acta Biomaterialia. 65: 1–20. doi:10.1016 / j.actbio.2017.11.021. PMID  29128537.
  2. ^ A b C d Bhosale AM, Richardson JB (srpen 2008). "Kloubní chrupavka: struktura, poranění a hodnocení léčby". Britský lékařský bulletin. 87 (1): 77–95. doi:10.1093 / bmb / ldn025. PMID  18676397.
  3. ^ Bray JC, Merrill EW (září 1973). "Poly (vinylalkohol) hydrogely pro syntetický materiál kloubní chrupavky". Journal of Biomedical Materials Research. 7 (5): 431–43. doi:10,1002 / jbm.820070506. PMID  4745791.
  4. ^ A b C d E F G h Sophia Fox AJ, Bedi A, Rodeo SA (listopad 2009). "Základní věda o kloubní chrupavce: struktura, složení a funkce". Sportovní zdraví. 1 (6): 461–8. doi:10.1177/1941738109350438. PMC  3445147. PMID  23015907.
  5. ^ A b C d E Kessler MW, Grande DA (leden 2008). "Tkáňové inženýrství a chrupavka". Organogeneze. 4 (1): 28–32. doi:10,4161 / org.6116. PMC  2634176. PMID  19279712.
  6. ^ A b C d E Liao IC, Moutos FT, Estes BT, Zhao X, Guilak F (prosinec 2013). „Kompozitní trojrozměrná tkaná lešení s prostupujícími síťovými hydrogely pro vytvoření funkční syntetické kloubní chrupavky“. Pokročilé funkční materiály. 23 (47): 5833–5839. doi:10.1002 / adfm.201300483. PMC  3933181. PMID  24578679.
  7. ^ Jay GD, Waller KA (říjen 2014). „Biologie lubricinu: pohyb kloubů téměř bez tření“. Matrix Biology. 39: 17–24. doi:10.1016 / j.matbio.2014.08.008. PMID  25172828.
  8. ^ A b Correa D, Lietman SA (únor 2017). „Oprava kloubní chrupavky: Současné potřeby, metody a směry výzkumu“. Semináře z buněčné a vývojové biologie. 62: 67–77. doi:10.1016 / j.semcdb.2016.07.013. PMID  27422331.
  9. ^ A b Ma R, Xiong D, Miao F, Zhang J, Peng Y (srpen 2009). "Nové hydrogely PVP / PVA pro náhradu kloubní chrupavky". Věda o materiálech a inženýrství: C. 29 (6): 1979–1983. doi:10.1016 / j.msec.2009.03.010.
  10. ^ A b Azuma C, Yasuda K, Tanabe Y, Taniguro H, Kanaya F, Nakayama A, Chen YM, Gong JP, Osada Y (květen 2007). „Biodegradace vysoce houževnatých hydrogelů s dvojitou sítí jako potenciálních materiálů pro umělou chrupavku“. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 81 (2): 373–80. doi:10,1002 / jbm.a.31043. PMID  17117467.
  11. ^ A b C d Li, M.H .; Xiao, R .; Li, J.B .; Zhu, Q. (2017-10-01). „Regenerativní přístupy k opravě chrupavky při léčbě osteoartrózy“. Osteoartróza a chrupavka. 25 (10): 1577–1587. doi:10.1016 / j.joca.2017.07.004. ISSN  1063-4584. PMID  28705606.
  12. ^ Yang, Jingzhou; Zhang, Yu Shrike; Yue, Kan; Khademhosseini, Ali (15. 7. 2017). „Buňky naložené hydrogely pro osteochondrální a chrupavkové tkáňové inženýrství“. Acta Biomaterialia. 57: 1–25. doi:10.1016 / j.actbio.2017.01.036. ISSN  1742-7061. PMC  5545789. PMID  28088667.