Gerry Koons, doktorant i doktorant w Rice and Baylor College of Medicine, przygotowuje wydrukowany w 3D bioreaktor do testów. (Źródło: Jeff Fitlow/Rice)

Nowa technika pozwala na hodowanie żywej kości w celu naprawy urazów twarzoczaszki poprzez przymocowanie wydrukowanego w 3D bioreaktora – w zasadzie formy – do żebra.

Komórki macierzyste i naczynia krwionośne z żebra infiltrują materiał rusztowania do formy i zastępują go naturalną kością dostosowaną do pacjenta.

Bioinżynier Antonios Mikos, pionier w dziedzinie inżynierii tkankowej, i jego koledzy połączyli technologie, które opracowali podczas trwającego dekadę programu. Celem jest przyspieszenie rekonstrukcji twarzoczaszki poprzez wykorzystanie naturalnych mocy leczniczych organizmu.

Badacze opracowali technikę wytwarzania dopasowanych implantów kostnych do naprawy urazów kości szczęki z własnego żebra pacjenta. (Źródło: Mikos Research Group)

Technika jest opracowywana w celu zastąpienia obecnych technik rekonstrukcji, które wykorzystują przeszczepy kostne z różnych obszarów pacjenta, takich jak podudzie, biodro i bark.

Substytut kości

„Główną innowacją w tej pracy jest wykorzystanie wydrukowanego w 3D bioreaktora do tworzenia kości wyhodowanej w innej części ciała, podczas gdy my przygotowujemy defekt do przyjęcia nowo wygenerowanej tkanki” – mówi Mikos, profesor bioinżynierii oraz inżynierii chemicznej i biomolekularnej w Rice. Uniwersytet i członek Narodowej Akademii Inżynierii i Narodowej Akademii Medycznej.

„Wcześniejsze badania ustaliły technikę tworzenia przeszczepów kostnych z lub bez własnego dopływu krwi z prawdziwej kości wszczepionej do jamy klatki piersiowej” – mówi współautor Mark Wong, profesor, kierownik katedry i dyrektor programowy wydziału chirurgii szczękowo-twarzowej w Szkole stomatologii na University of Texas Health Science Center w Houston.

„Badanie to wykazało, że możemy stworzyć żywotne przeszczepy kostne ze sztucznych materiałów zastępujących kość. Istotną zaletą tego podejścia jest to, że nie trzeba pobierać własnej kości pacjenta, aby wykonać przeszczep kostny, ale można wykorzystać inne nieautogenne źródła” – mówi.

Dzianiny i pokryte

Aby udowodnić swoją koncepcję, naukowcy wykonali prostokątny defekt w żuchwach owiec. Stworzyli szablon do druku 3D i wydrukowali wszczepialną formę oraz przekładkę, oba wykonane z PMMA, znanego również jako cement kostny. Celem spacera jest wspomaganie gojenia i zapobieganie wypełnieniu ubytku tkanki bliznowatej.

Z żebra modelu zwierzęcego usunięto wystarczającą ilość kości, aby odsłonić okostną, która służyła jako źródło komórek macierzystych i układu naczyniowego do wysiewu materiału rusztowania wewnątrz pleśni. Grupy testowe obejmowały zmiażdżoną kość żebrową lub syntetyczne materiały z fosforanu wapnia, aby stworzyć biokompatybilne rusztowanie.

Forma z otwartą stroną żebra w celu stworzenia szczelnego połączenia pozostawała na miejscu przez dziewięć tygodni, po czym została wyjęta i przeniesiona w miejsce uszkodzenia, zastępując przekładkę. W modelach zwierzęcych nowa kość zrośnięta ze starą i miękką tkanką rosła i pokrywała miejsce.

Dlaczego żeberka?

„Zdecydowaliśmy się na użycie żeber, ponieważ są one łatwo dostępne i stanowią bogate źródło komórek macierzystych i naczyń, które infiltrują rusztowanie i rosną w nową tkankę kostną, która pasuje do pacjenta” – mówi Mikos. „Nie ma potrzeby stosowania egzogennych czynników wzrostu ani komórek, które skomplikowałyby proces zatwierdzania i translacji do zastosowań klinicznych”.

Żebra oferują kolejną zaletę. „Możemy potencjalnie wyhodować nową kość na wielu żebrach jednocześnie”, mówi współautor Gerry Koons, doktorant w Rice and Baylor College of Medicine, obecnie pracujący w laboratorium Mikosa.

Wykorzystanie PMMA do formy i elementu dystansowego było prostą decyzją, mówi Mikos, ponieważ od dziesięcioleci jest ono regulowane jako wyrób medyczny do zastosowań biologicznych. W czasie II wojny światowej, kiedy samoloty myśliwskie używały szyb z PMMA, lekarze zauważyli, że odłamki osadzone w rannych pilotach nie powodują zapalenia i dlatego uznali je za łagodne. Chociaż początkowym celem badania jest poprawa leczenia urazów na polu bitwy, ogólny obraz obejmuje również operacje cywilne.

Wyniki pojawiają się w Proceedings of the National Academy of Sciences.

O autorach

Dodatkowi współautorzy pochodzą z Rice; Centrum Nauki o Zdrowiu Uniwersytetu Teksańskiego w Houston; Wyższa Szkoła Medyczna Baylora; Synthasome, Inc., San Diego; oraz Centrum Medyczne Uniwersytetu Radboud, Holandia.

Badania sfinansował Instytut Medycyny Regeneracyjnej Sił Zbrojnych. Dodatkowe wsparcie dla badań pochodziło z National Institutes of Health, Osteo Science Foundation, Barrow Scholars Program oraz Robert and Janice McNair Foundation.

Źródło: Rice University

książki_nauka