Протез челюстного сустава
Височно-нижнечелюстной сустав (ВНЧС) образует заднюю часть нижней челюсти и соединяет челюсть с черепом, он представляет собой анатомически сложную и высоконагруженную структуру, состоящую из хряща и кости. Только в США около 10 миллионов человек страдают дисфункцией ВНЧС из-за врожденных дефектов, травм или болезней. Современные методы лечения варьируют от инъекций стероидов, которые обеспечивают временное облегчение боли, до хирургических реконструкций с использованием протезов или донорской ткани, и часто не обеспечивают длительного восстановления. Исследователи хотели найти лучший способ лечения ВНЧС, включая применение биологических трансплантатов, выращенных в лаборатории, которые могли бы интегрироваться с естественными тканями и со временем обеспечивать пожизненное функционирование.
Многопрофильная группа исследователей из Колумбийского университета, Колумбийского колледжа стоматологической медицины, Университета штата Луизиана, создала биоинженерные трансплантаты ВНЧС из стволовых клеток жировой ткани, точно подходящие реципиенту, как биологически, так и анатомически. Новое исследование было проведено на основе длинного ряда их предыдущих разработок в области биоинженерии хрящей и костей для регенеративной медицины и создания тканевых моделей заболеваний.
Гистологический срез хрящевой ткани. Морфология биоинженерного трансплантата через 6 месяцев после имплантации (слева) по сравнению с нативным суставом (справа). Отчетливо видны фиброзный, пролиферативный и гипертрофический слои.
Для разработки методологии реконструкции ВНЧС с использованием собственных клеток реципиента авторы использовали карликовых свиней. Группа выделила стволовые клетки из небольшого количества жировой ткани, взятой от каждого животного, увеличила число клеток в культуре, чтобы получить достаточное количество для большого трансплантата, и индуцировала их в хондробласты и остеобласты. Используя изготовление под визуализирующим контролем, исследователи превратили блок из используемого в клинических условиях лишенного клеток (днцеллюляризированного) матрикса бычьей кости в точную геометрию восстанавливаемого ВНЧС. Они наполнили этот каркас остеобластами, стимулируя образование хряща путем уплотнения поверхностного слоя конденсированных мезенхимальных клеток толщиной 1 мм. Исследователи построили камеру биореактора таким образом, чтобы каркас плотно входил в нее, словно рука в перчатку.
Схематическое изображение костно-хрящевого трансплантата в биореакторе.
Поскольку хрящ и кость формируются в разных условиях окружающей среды, для формирования трансплантатов ВНЧС требовался специализированный биореактор, который обеспечивал бы раздельную подачу питательной среды для кости и хряща в две области ткани. Исследователи оптимизировали перфузию питательной среды через кость и поток по поверхности хряща, чтобы удовлетворить совершенно разные потребности в питании и среде для двух тканей.
Видеомоделирование перфузии среды через костную часть культивируемого трансплантата и потока среды по поверхности хряща.
После того, как все эти сложные условия были выполнены, группа имплантировала индивидуализированные трансплантаты ВНЧС экспериментальным животным на шесть месяцев, чтобы определить способность трансплантатов структурно и функционально заменять нативный сустав.
Через полгода трансплантаты имели многослойное строение, похожее на строение нативных суставов, успешно интегрировались с окружающими тканями и обеспечивали биологическую и механическую функцию нативного сустава. Авторы считают, что эту методику можно будет использовать для биоинженерии других суставов и создания высокоточных моделей для изучения заболеваний суставов.
Общая морфология биоинженерного височно-нижнечелюстного сустава через 6 месяцев после имплантации (слева) по сравнению с собственным суставом (справа). Отчетливо видны хрящевые и костные области.
Использование биореактора с двойным потоком имело решающее значение для формирования композитных костно-хрящевых трансплантатов. В нем каждая ткань сохранялась в собственной «колыбели», сохраняя при этом связь посредством диффузионных факторов, как в живом организме.
Исследователи подчеркивают, что необходимо проделать дополнительную работу, прежде чем трансплантаты ВНЧС, адаптированные к индивидуальным потребностям пациентов, станут клинической реальностью. Для полного понимания процесса ремоделирования тканей необходимы исследования в течение более длительных периодов времени. Кроме того, исследователи заинтересованы в расширении своей методологии для изучения разнообразия популяции пациентов и изучения восстановления височно-нижнечелюстного сустава в зависимости от возраста, пола, наличия заболеваний скелета или соответствующих системных состояний.
Статья D.Chan et al. Tissue engineered autologous cartilage-bone grafts for temporomandibular joint regeneration опубликована в журнале Science Translational Medicine.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Columbia Engineering: Researchers Use Lab-grown Tissue Grafts for Personalized Joint Replacement.