Как мышиные черепа помогли медицине

Исследователи подготовили новую архитектуру имплантов для регенерации костей. Фото с сайта www.unn.ru

В медицине существует острая клиническая потребность в новых методах лечения костных дефектов, возникающих в результате переломов, инфекций или опухолей. Использование собственной кости пациента не всегда дает гарантию полного закрытия дефекта, а костный материал от другого человека и вовсе может не прижиться. Ученые Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского (ННГУ), участника программы «Приоритет-2030» национального проекта «Наука и университеты», нашли выход: гетерогенные синтетические импланты с характеристиками, максимально близкими человеческой кости. Они создаются с помощью лазерной 3D-печати, а в их ячейки заселяются стволовые клетки пациента.

Хотя костная ткань способна самостоятельно восстанавливать небольшие дефекты, при наличии обширных нарушений, а также в случаях недостаточного кровоснабжения или наличия системных заболеваний ее регенеративный потенциал нарушается. Золотым стандартом лечения в таких случаях считается аутотрансплантат – материал, который берется у самого пациента. Его недостатки хорошо известны: ограничение объема трансплантата, повреждение донорского участка, различия в строении и биомеханике разных частей скелета, инфекция и иммунологическое отторжение. Использование аллогенных костных трансплантатов, то есть материалов, взятых у другого человека, имеет фундаментальные проблемы – антигенность и возможность передачи болезни.

По результатам исследований нижегородские ученые предложили конструкции, которые позволяют быстро восстанавливать крупные костные дефекты, – искусственные трехмерные каркасы для клеток, которые в медицине называют скаффолдами. Такая технология представляет собой эффективную альтернативу аллогенной и аутотрансплантации благодаря имитации клеточной ниши и сохранению структуры ткани.

«Синтетическая костная ткань состоит из множества ячеек, которые повторяют неоднородную структуру кости: с крупными порами внутри импланта и более мелкими на поверхности, – пояснила заведующая лабораторией молекулярно-генетических исследований Института клинической медицины ННГУ Дарья Кузнецова. – Такая структура позволяет прорастать кровеносным сосудам, а скорость биодеградации скаффолда соответствует скорости восстановления кости».

Модель-скаффолд создается с помощью лазерной 3D-печати. В ее ячейки заселяются стволовые клетки пациента, а затем вся конструкция имплантируется на поврежденный участок. Опыты на лабораторных животных показали, что регенерация кости с такими гетерогенными имплантами длится в два раза быстрее, чем при стандартных имплантах с однородной структурой.

В ходе исследования ученые воссоздали фрагменты черепа мыши – наноскаффолды с трехслойной структурой. Импланты из биосовместимого материала на основе молочной кислоты были напечатаны на лазерном 3D-принтере. Технология позволяет настраивать скорость биодеградации материала, чтобы скаффолд рассасывался по мере восстановления кости.

«Регенерацию кости показывал метаболический имиджинг, а биодеградацию импланта оценивали с помощью флуоресцентной микроскопии, – рассказала Дарья Кузнецова. – Благодаря сочетанию этих методов визуализации за счет собственного свечения клеток мы доказали, что доставка кислорода, питательных веществ, минерализация и другие процессы интенсивнее на гетерогенных скаффолдах».

«Гетерогенные скаффолды показали улучшенные остеоиндуктивные свойства, ускорили метаболические перестройки, связанные с остеогенной дифференцировкой, и повысили эффективность восстановления костной ткани, – говорится в исследовании ученых, опубликованном в авторитетном научном журнале Stem Cell Research & Therapy. – Гетерогенные тканевые конструкции являются перспективным инструментом для восстановления костных дефектов». В будущем авторы технологии планируют усовершенствовать состав синтетической костной ткани и увеличить размер скаффолдов.

Исследование проводилось Нижегородским государственным университетом им. Н.И. Лобачевского по программе «Приоритет-2030». 20 июня в ННГУ им. Лобачевского состоялся пресс-тур по объектам национального проекта «Наука и университеты» и научно-популярного маршрута Десятилетия науки и технологий. В пресс-туре ученые представили уникальные разработки в области имплантологии, нейробиологии, искусственного интеллекта, химии и медицины.