Ученые Северо-Западного университета США разработали новый биоактивный материал, который успешно регенерировал высококачественный хрящ в коленных суставах крупных животных. Хотя материал выглядит как резиновая масса, на самом деле он представляет собой сложную сеть молекулярных компонентов, которые работают вместе, имитируя естественную среду хряща в организме.
В новом исследовании ученые нанесли материал на поврежденный хрящ в коленных суставах животных. Уже через 6 месяцев исследователи заметили признаки усиленного восстановления, включая рост нового хряща, содержащего естественные биополимеры (коллаген II и протеогликаны), которые обеспечивают безболезненную механическую устойчивость суставов.
По словам исследователей, при дальнейшей работе новый материал может быть использован для предотвращения операций по полной замене коленного сустава, лечения дегенеративных заболеваний, таких как остеоартрит, и восстановления спортивных травм. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Хрящ – важнейший компонент наших суставов. Когда он повреждается или разрушается со временем, это может сильно влиять на общее состояние здоровья и подвижность человека. Проблема в том, что у взрослых людей хрящ не обладает врожденной способностью к заживлению. Наша новая терапия может вызвать восстановление ткани, которая не регенерируется естественным путем. Мы считаем, что наш метод лечения может помочь решить серьезную клиническую потребность», – говорит Сэмюэл И. Ступп, возглавлявший исследование.
В исследовании используется гибридный биоматериал, состоящий из двух компонентов: биоактивного пептида, который связывается с трансформирующим фактором роста бета-1 (TGFb-1) – важным белком для роста и поддержания хряща – и модифицированной гиалуроновой кислоты, природного полисахарида, присутствующего в хряще и синовиальной жидкости, смазывающей суставы.
«Многие люди знакомы с гиалуроновой кислотой, поскольку она является популярным ингредиентом в средствах по уходу за кожей. Она также естественным образом содержится во многих тканях человеческого тела, включая суставы и мозг. Мы выбрали ее, потому что она похожа на природные полимеры, содержащиеся в хряще», – говорит Ступп.
Команда объединила биоактивный пептид и химически модифицированные частицы гиалуроновой кислоты для самоорганизации наноразмерных волокон в пучки, которые имитируют естественную архитектуру хряща. Цель состояла в том, чтобы создать привлекательную основу для регенерации хрящевой ткани собственными клетками организма. Благодаря биоактивным сигналам, содержащимся в наноразмерных волокнах, материал стимулирует восстановление хрящевой ткани.
Чтобы оценить эффективность технологии в стимулировании роста хряща, исследователи протестировали его на овцах с дефектами хряща в голеностопе – сложном суставе задних конечностей, похожем на человеческое колено. Испытания на модели овцы были жизненно важны. Как и у людей, хрящи овец невероятно трудно поддаются регенерации. Овечьи и человеческие колени также схожи по весу, размеру и механическим нагрузкам.
В ходе исследования ученые вводили густой, похожий на пасту материал в дефекты хряща, где он превращался в резиновую матрицу. Новый хрящ рос, заполняя дефект, а восстановленная ткань была неизменно более качественной по сравнению с контрольной.
В будущем новый материал можно будет использовать в суставах во время открытых или артроскопических операций. В настоящее время стандартом лечения является операция микрофрактуры, во время которой хирурги создают крошечные трещины в кости, чтобы вызвать рост нового хряща.
«Основная проблема с микроразломами заключается в том, что они часто приводят к образованию фиброхряща – того же хряща, что и в ушах, – в отличие от гиалинового хряща, который необходим нам для функциональных суставов. Благодаря регенерации гиалинового хряща наш подход должен быть более устойчивым к износу, что позволит решить проблему плохой подвижности и боли в суставах на длительный срок, а также избежать необходимости восстановления суставов с помощью больших аппаратных средств», – поясняют ученые.
[Фото: Samuel I. Stupp / Northwestern University]