Выращенные межпозвонковые диски успешно пересажены козе

Мягкие ткани в позвоночнике, межпозвонковые диски, нужны в движениях, таких как повороты головы или завязывание шнурков. Но примерно половина взрослого населения в США страдает от болей в спине или шее, лечение и забота о них ложатся серьёзным экономическим бременем на общество – примерно $195 миллиардов в год. В то время как разрушение межпозвонкового диска часто связано с этой болью, основные причины его разрушения остаются менее понятными. Современные подходы, включающие операции на позвоночнике и механические замещающие импланты, обеспечивают симптоматическое лечение, но они не восстанавливают структуру, функцию и диапазон движения нативного диска, и они часто имеют ограниченную эффективность. Таким образом, существует запрос на новые методы лечения.

Тканевая инженерия имеет большие перспективы. Она включает в себя объединение собственных стволовых клеток пациента или животных с каркасами из биоматериала в лаборатории с целью конструирования сложной структуры, которая затем имплантируется в позвоночник в качестве замещающего диска. В течение последних 15 лет исследовательская группа Penn разрабатывала биоинженерный диск при помощи тканевой инженерии, переходя от фундаментальных научных исследований in vitro к моделям с маленькими животными и моделям с более крупными животными, ориентируясь на испытания на человеке.

«Это важный шаг: вырастить такой большой диск в лаборатории, поместить его в дисковое пространство, а затем заставить его интегрироваться с окружающей нативной тканью. Это очень многообещающе», – сказал Роберт Л. Мок, профессор образования и исследований в области ортопедической хирургии в Медицинской школе Перельмана в Пенне, а также научный сотрудник в Corporal Michael Crescenz VA Medical Center (CMC VAMC) в Филадельфии и главный автор публикации. «Нынешние терапии на самом деле не восстанавливают диск, поэтому мы надеемся, что с этим разработанным имплантом мы заменим его биологическим, функциональным способом и восстановим полный диапазон движения».

Прошлые исследования, проведённые командой, успешно показали интеграцию их биоинженерных дисков, известные как disc-like angle ply structures (DAPS), в хвосты крыс в течение пяти недель. Это последнее исследование продлило этот период на крысе до 20 недель – но с обновленными дисками, известными как endplate-modified DAPS или eDAPS, чтобы имитировать структуру нативного сегмента позвоночника. Добавление концевых пластин помогло сохранить инженерную структуру и способствовать ее интеграции в нативную ткань.

МРТ, наряду с гистологическим, механическим и биохимическим анализом, показали, что eDAPS восстанавливал структуру нативного диска, биологию и механическую функцию в модели крысы. Развивая этот успех, исследователи затем имплантировали eDAPS в шейный отдел позвоночника коз. Они выбрали козу, потому что размеры её шейно-спинного диска похожи на человеческие, и козы имеют полустоячую фигуру.

Исследователи показали успешную полную замену диска в шейном отделе козы. Через месяц распределение матрикса было либо сохранено, либо улучшено в рамках eDAPS. Результаты МРТ также позволяют предположить, что состав диска через восемь недель сохранялся или улучшался, и что механические свойства либо соответствовали, либо превосходили таковые у нативного диска козы.

«Я полагаю, очень здорово, что мы прошли путь от крысиного хвоста до имплантов человеческого размера», – сказал Харви Э. Смит, доктор медицинских наук, доцент кафедры ортопедической хирургии и нейрохирургии в Медицинской школе Перельмана. и штатный хирург в CMC VAMC, а также старший научный сотрудник и клинический руководитель исследования. «Когда вы смотрите на успех в литературе по механическим устройствам, я полагаю, что есть очень веская причина для оптимизма, что мы можем достичь того же успеха, если не превзойти его с помощью биоинженерных дисков».

Исследовательская группа связывает успех этой работы с междисциплинарным и трансляционным подходом, который они использовали с самого начала в Пенне, где проживают многие эксперты из различных факультетов и школ, которые были вовлечены в этот проект.

«Мы использовали все различные направления, которые Пенн имеет под своей крышей, от фундаментальных исследований до клиницистов. У нас есть невероятная сеть, которую можно использовать для этого и иных исследований», – сказал автор исследования Томас П. Шаер (Thomas P. Schaer), директор VMD, директор отдела трансляционных ортопедических исследований и доклинических исследований в Школе ветеринарной медицины Университета Пенсильвании New Bolton Center. «Не каждое академическое учреждение имеет такую совместную экосистему, которая была для нас огромным преимуществом, когда мы начали это исследование, а затем поддерживали его во времени».

Команда также включает в себя первого автора Сару Гульбренд, научного сотрудника в отделении ортопедической хирургии Penn Medicine и Translational Musculoskeletal Research Center в Corporal Michael Crescenz VA Medical Center, Лахлана Смита, сотрудника кафедры нейрохирургии и ортопедической хирургии в Пенне и Доун М. Эллиотт, бывшего исследователя Пенна, в настоящее время являющимся заведующим кафедрой биомедицинской инженерии в Университете штата Делавэр.

Следующим шагом будет проведение более долгосрочных испытаний функции eDAPS в модели козы, сказали авторы, а также для моделирования разрушения межпозвонковых дисков у людей и для проверки того, как их биоинженерные диски работают в этом контексте.

«Желательно имплантировать биологические ткани, состоящие из ваших собственных клеток», – сказал Смит. «Использование настоящего тканевого замещающего импланта в эндопротезировании – такого мы ещё не делали в ортопедии. Я думаю, что это будет смена парадигмы того, как мы лечим заболевания позвоночника и как мы реконструируем суставы».

Мягкие ткани в позвоночнике, межпозвонковые диски, нужны в движениях, таких как повороты головы или завязывание шнурков. Но примерно половина взрослого населения в США страдает от болей в спине или шее, лечение и забота о них ложатся серьёзным экономическим бременем на общество – примерно $195 миллиардов в год. В то время как разрушение межпозвонкового диска часто связано с этой болью, основные причины его разрушения остаются менее понятными. Современные подходы, включающие операции на позвоночнике и механические замещающие импланты, обеспечивают симптоматическое лечение, но они не восстанавливают структуру, функцию и диапазон движения нативного диска, и они часто имеют ограниченную эффективность. Таким образом, существует запрос на новые методы лечения.

Тканевая инженерия имеет большие перспективы. Она включает в себя объединение собственных стволовых клеток пациента или животных с каркасами из биоматериала в лаборатории с целью конструирования сложной структуры, которая затем имплантируется в позвоночник в качестве замещающего диска. В течение последних 15 лет исследовательская группа Penn разрабатывала биоинженерный диск при помощи тканевой инженерии, переходя от фундаментальных научных исследований in vitro к моделям с маленькими животными и моделям с более крупными животными, ориентируясь на испытания на человеке.

«Это важный шаг: вырастить такой большой диск в лаборатории, поместить его в дисковое пространство, а затем заставить его интегрироваться с окружающей нативной тканью. Это очень многообещающе», – сказал Роберт Л. Мок, профессор образования и исследований в области ортопедической хирургии в Медицинской школе Перельмана в Пенне, а также научный сотрудник в Corporal Michael Crescenz VA Medical Center (CMC VAMC) в Филадельфии и главный автор публикации. «Нынешние терапии на самом деле не восстанавливают диск, поэтому мы надеемся, что с этим разработанным имплантом мы заменим его биологическим, функциональным способом и восстановим полный диапазон движения».

Прошлые исследования, проведённые командой, успешно показали интеграцию их биоинженерных дисков, известные как disc-like angle ply structures (DAPS), в хвосты крыс в течение пяти недель. Это последнее исследование продлило этот период на крысе до 20 недель – но с обновленными дисками, известными как endplate-modified DAPS или eDAPS, чтобы имитировать структуру нативного сегмента позвоночника. Добавление концевых пластин помогло сохранить инженерную структуру и способствовать ее интеграции в нативную ткань.

МРТ, наряду с гистологическим, механическим и биохимическим анализом, показали, что eDAPS восстанавливал структуру нативного диска, биологию и механическую функцию в модели крысы. Развивая этот успех, исследователи затем имплантировали eDAPS в шейный отдел позвоночника коз. Они выбрали козу, потому что размеры её шейно-спинного диска похожи на человеческие, и козы имеют полустоячую фигуру.

Исследователи показали успешную полную замену диска в шейном отделе козы. Через месяц распределение матрикса было либо сохранено, либо улучшено в рамках eDAPS. Результаты МРТ также позволяют предположить, что состав диска через восемь недель сохранялся или улучшался, и что механические свойства либо соответствовали, либо превосходили таковые у нативного диска козы.

«Я полагаю, очень здорово, что мы прошли путь от крысиного хвоста до имплантов человеческого размера», – сказал Харви Э. Смит, доктор медицинских наук, доцент кафедры ортопедической хирургии и нейрохирургии в Медицинской школе Перельмана. и штатный хирург в CMC VAMC, а также старший научный сотрудник и клинический руководитель исследования. «Когда вы смотрите на успех в литературе по механическим устройствам, я полагаю, что есть очень веская причина для оптимизма, что мы можем достичь того же успеха, если не превзойти его с помощью биоинженерных дисков».

Исследовательская группа связывает успех этой работы с междисциплинарным и трансляционным подходом, который они использовали с самого начала в Пенне, где проживают многие эксперты из различных факультетов и школ, которые были вовлечены в этот проект.

«Мы использовали все различные направления, которые Пенн имеет под своей крышей, от фундаментальных исследований до клиницистов. У нас есть невероятная сеть, которую можно использовать для этого и иных исследований», – сказал автор исследования Томас П. Шаер (Thomas P. Schaer), директор VMD, директор отдела трансляционных ортопедических исследований и доклинических исследований в Школе ветеринарной медицины Университета Пенсильвании New Bolton Center. «Не каждое академическое учреждение имеет такую совместную экосистему, которая была для нас огромным преимуществом, когда мы начали это исследование, а затем поддерживали его во времени».

Команда также включает в себя первого автора Сару Гульбренд, научного сотрудника в отделении ортопедической хирургии Penn Medicine и Translational Musculoskeletal Research Center в Corporal Michael Crescenz VA Medical Center, Лахлана Смита, сотрудника кафедры нейрохирургии и ортопедической хирургии в Пенне и Доун М. Эллиотт, бывшего исследователя Пенна, в настоящее время являющимся заведующим кафедрой биомедицинской инженерии в Университете штата Делавэр.

Следующим шагом будет проведение более долгосрочных испытаний функции eDAPS в модели козы, сказали авторы, а также для моделирования разрушения межпозвонковых дисков у людей и для проверки того, как их биоинженерные диски работают в этом контексте.

«Желательно имплантировать биологические ткани, состоящие из ваших собственных клеток», – сказал Смит. «Использование настоящего тканевого замещающего импланта в эндопротезировании – такого мы ещё не делали в ортопедии. Я думаю, что это будет смена парадигмы того, как мы лечим заболевания позвоночника и как мы реконструируем суставы».