В скелете взрослого человека более 200 костей, размер которых варьируется от пары миллиметров в длину до более фута. Как формируются эти кости и как они восстанавливаются в случае травм, варьируется и представляет собой проблему для многих исследователей в области регенеративной медицины.Два процесса, связанные с развитием человеческого скелета, помогают всем костям в нашем теле формироваться и расти.
Эти процессы называются внутримембранозной и эндохондральной оссификацией, IO и EO соответственно. Хотя оба они имеют решающее значение, IO — это процесс, ответственный за формирование плоских костей, а EO — это процесс, который формирует длинные кости, такие как бедренные и плечевые кости.Для обоих процессов необходимы общие мезенхимальные стволовые клетки (МСК), чтобы вызвать рост новой кости. Несмотря на это сходство, ИО значительно легче воссоздать в лаборатории, поскольку МСК могут напрямую дифференцироваться или специализироваться в костеобразующие клетки без каких-либо дополнительных действий.
Однако эта относительная простота имеет ограничения. Чтобы обойти проблемы, связанные с IO, команда UConn Health приступила к разработке инженерного внеклеточного матрикса, который использует гидрогели для направления и поддержки образования кости с помощью EO.«До сих пор очень мало исследований было сосредоточено на дизайне матриц для эндохондральной оссификации с целью регенерации и восстановления длинных костей», — говорит Нукаварапу, который одновременно работает в отделах биомедицинской инженерии, материаловедения и инженерии. «Разрабатывая гибридную комбинацию гидрогелей, мы смогли сформировать инженерный внеклеточный матрикс, который может поддерживать образование хрящевой матрицы».Нукаварапу отмечает, что васкуляризация является ключом к восстановлению и регенерации сегментарных дефектов кости.
Основная проблема с костной тканью, сформированной IO, вызвана отсутствием кровеносных сосудов, что также называется васкуляризацией. Это означает, что ИО не способен регенерировать достаточное количество костной ткани, чтобы быть примененным к крупным костным дефектам, возникающим в результате травм или дегенеративных заболеваний, таких как остеопороз. Хотя многие исследователи пробовали различные стратегии, успешная васкуляризация кости, регенерированной с помощью интоксикации кислорода, остается серьезной проблемой.
С другой стороны, васкуляризация является естественным результатом ЭО из-за развития хрящевой матрицы, гипертрофии хондроцитов и возможного образования костной ткани.В то время как простота ввода-вывода вызвала ограничения, преимущества EO приводят к сложному уравновешиванию. ЭО требует точной пространственной и временной координации различных элементов, таких как клетки, факторы роста и внеклеточный матрикс или каркас, на котором МСК прикрепляются, пролиферируют и дифференцируются.
Чтобы достичь этого хрупкого баланса в лаборатории, Нукаварапу и его коллеги объединили два материала, которые, как известно, способствуют регенерации тканей — фибрин и гиалуронан, — чтобы создать эффективный внеклеточный матрикс для формирования длинных костей. Гель фибрина имитирует костные мезенхимальные стволовые клетки человека и способствует их конденсации, которая необходима для дифференцировки МСК в хондрогенные клетки.
Гиалуронан, природный биополимер, имитирует более поздние стадии процесса роста и пролиферации дифференцированных хондрогенных клеток, также известного как гипертрофно-хондрогенная дифференцировка.Исследователи ожидают, что хрящевые матрицы с гипертрофированными хондроцитами будут высвобождать факторы формирования кости и сосудов, а также инициировать образование васкуляризированной кости. Нукаварапу говорит, что «использование матриц хрящ-матрица приведет к разработке новых стратегий восстановления костей, которые не связаны с вредными факторами роста».
Хотя эти разработки все еще находятся на начальной стадии исследований, они открывают перспективы для будущих инноваций.«Работа доктора Нукаварапу говорит не только о превосходстве профессорско-преподавательского состава Калифорнийского университета в США, но и о потенциальных возможностях практического применения их исследований», — говорит Раденка Марич, вице-президент по исследованиям в Университете штата Коннектикут и UConn Health. «Лаборатории UConn полны таких инноваций, которые вносят свой вклад в научные прорывы в здравоохранении, инженерии, материаловедении и многих других областях».Затем исследователи планируют интегрировать гибридный внеклеточный матрикс с несущим каркасом для разработки хрящевых матриц, подходящих для восстановления дефектов длинных костей.
По словам Нукаварапу, исследовательская группа Калифорнийского университета надеется, что это первый шаг к формированию гипертрофического хрящевого шаблона со всеми необходимыми ингредиентами для инициирования образования костной ткани, васкуляризации, ремоделирования и, в конечном итоге, создания функционального костного мозга для восстановления дефектов длинных костей. через EO.Работа поддержана грантами AO Foundation (S-13-122N), NSF Emerging Frontiers in Research and Innovation (EFRI) (1332329) и NSF Emerging Frontiers and Multidisciplinary Activities (EFMA) (1640008).Исследования в лаборатории Шьяма Нукаварапу сосредоточены на биоматериалах и тканевой инженерии, с акцентом на инженерии тканей костей, хрящей и сопряжения костей и хрящей.
Среди других авторов UConn — аспиранты Пайиз Э. Микаэль и Хюн С. Ким.