Есть более чем 200 костей во взрослом человеческом скелете, располагающемся в размере от нескольких миллиметров в длине к хорошо более чем футу. Как эти кости формируются и как они восстановлены, если ранено варьируется и поставил проблему перед многими исследователями в области регенеративной медицины.Два процесса, связанные с человеческим скелетным развитием, помогают всем костям в нашем теле сформироваться и вырасти. Эти процессы называют внутриперепончатой и эндохрящевой косностью, IO и EO соответственно.
В то время как они и очень важны, IO – процесс, ответственный за формирование плоских костей, и EO – процесс, который формирует длинные кости как бедра и плечевые кости.Для обоих процессов универсальные мезенхимальные стволовые клетки (MSCs) необходимы, чтобы вызвать рост новой кости. Несмотря на это подобие, IO значительно легче воссоздать в лаборатории, так как MSCs может непосредственно дифференцироваться или стать специализированным в формирующие кость клетки, не делая дополнительных шагов.
Однако эта относительная простота идет с ограничениями. Чтобы обойти проблемы, связанные с IO, медицинские команды Университета Коннектикута намереваются развивать спроектированную внеклеточную матрицу, которая использует гидрогели, чтобы вести и поддержать формирование кости через EO.«К настоящему времени очень немного исследований были сосредоточены на матричных проектах для эндохрящевой косности, чтобы восстановить и восстановить длинную кость», говорит Нукэварапу, который держит совместные назначения в отделах биоинженерии и материаловедения и разработки. «Развивая гибридную комбинацию гидрогеля, мы смогли сформировать спроектированную внеклеточную матрицу, которая могла поддержать формирование шаблона хряща».
Нукэварапу отмечает, что vascularization – ключ в сегментальном ремонте дефекта кости и регенерации. Основная проблема с костью IO-formed вызвана отсутствием кровеносных сосудов, также названных vascularization. Это означает, что IO не способен к регенерации достаточного количества костной ткани, которая будет применена к большим дефектам кости, которые следуют из травмы или дегенеративных заболеваний как остеопороз. Хотя многие исследователи попробовали различные стратегии, успешно vascularizing кость, восстановленная с IO, остается значительной проблемой.
С другой стороны, vascularization – естественный результат EO из-за развития шаблона хряща, chondrocyte гипертрофия и возможное формирование костной ткани.В то время как простота IO вызвала ограничения, результат преимуществ EO в запутанном уравновешивании. EO требует точной пространственной и временной координации различных элементов, как клетки, факторы роста, и внеклеточная матрица, или леса, на которые свойственны MSCs, распространяются и дифференцируются.Чтобы достигнуть этого неустойчивого равновесия в лаборатории, Nukavarapu и его коллеги объединили два материала, которые, как известно, поощряли регенерацию ткани – фибрин и hyaluronan – создавать эффективную внеклеточную матрицу для долгого формирования кости.
Гель фибрина подражает человеческой кости мезенхимальные стволовые клетки и облегчает их уплотнение, которое требуется для дифференцирования MSC в chondrogenic клетки. Hyaluronan, естественный биополимер, подражает более поздним стадиям процесса, которым дифференцировался, chondrogenic клетки растут и распространяются, также известные как гипертрофическое-chondrogenic дифференцирование.
Исследователи ожидают, что шаблоны хряща с гипертрофическим chondrocytes выпустят кость и факторы формирования судна и также начнут vascularized формирование кости. Нукэварапу говорит, что «использование матриц шаблона хряща привело бы к разработке новых стратегий ремонта кости, которые не включают вредные факторы роста».
В то время как все еще в ранней фазе исследования, эти события открывают перспективу для будущих инноваций.«Работа доктора Нукэварапу говорит не только с преимуществом способности Университета Коннектикута, но также и к потенциальным реальным применениям их исследования», говорит Рэденка Марич, вице-президент по исследованию в здоровье Университета Коннектикута и Университета Коннектикута. «Лаборатории Университета Коннектикута гудят с этими типами инноваций, которые способствуют научным прорывам в здравоохранении, разработке, материаловедении и многих других областях».Исследователи затем планируют объединить гибридную внеклеточную матрицу с имеющими груз лесами, чтобы развивать шаблоны хряща, подходящие для ремонта длинного дефекта кости.
Согласно Nukavarapu, исследовательская группа Университета Коннектикута надеется, что это – первый шаг к формированию гипертрофического шаблона хряща со всеми правильными компонентами, чтобы начать формирование костной ткани, vascularization, модернизацию, и в конечном счете учреждение функционального костного мозга, чтобы восстановить долгие дефекты кости через EO.Работа была поддержана грантами от Фонда АО (S-13-122N), NSF, Появляющийся Границы в Исследовании и Инновациях (EFRI) (1332329), и NSF, Появляющийся Границы и Мультидисциплинарные Действия (EFMA) (1640008).
Исследование в лаборатории Сайама Нукэварапу сосредотачивается на биоматериалах и разработке ткани, с акцентом на кость, хрящ и разработку ткани интерфейса кости-хряща. Среди других авторов Университета Коннектикута аспиранты Пэйиз Э. Микаэль и Хюн С. Ким.