O echipă de cercetători de la UConn Health a conceput un sistem nou de hidrogel hibrid, care ar putea să ajute la rezolvarea problemelor de reparare a oaselor, în caz de rănire. Echipa de Sănătate UConn, condusă de Syam Nukavarapu, profesor asociat în chirurgie ortopedică, a descris descoperirile lor într-un număr recent al Journal of Biomedical Materials Research-Partea B, unde lucrarea este prezentată pe coperta jurnalului.
În scheletul uman adult există peste 200 de oase, acestea având dimensiuni care pornesc de la câțiva milimetri și ajung la dimensiuni de peste 30 cm . Modul în care se formează aceste oase și în care sunt reparate, diferă în funcție de leziuni, reprezintând o provocare pentru mulți cercetători în domeniul medicinii regenerative.
Există două procese implicate în dezvoltarea scheletului uman care ajută toate oasele din corpul nostru să se formeze și să crească. Aceste procese se numesc: osificare intramembranoasă (OI) și endocondrală (OE). Deși amândouă sunt importante, IO este procesul responsabil pentru formarea oaselor plate, iar OE este procesul care formează oase lungi, precum femururi și humeruși.
Pentru ambele procese, sunt necesare celule stem mezenchimale generice (CSM) pentru a declanșa creșterea noului os. În ciuda acestei asemănări, OI este semnificativ mai ușor de recreat în laborator, deoarece CSM-urile se pot diferenția direct sau pot deveni specializate, în celule formatoare de os, fără a necesita etape suplimentare.
Totuși, această relativă simplitate vine cu limitări. Pentru a evita problemele asociate cu OI, echipa UConn Health și-a propus să dezvolte o matrice extracelulară care utilizează hidrogeluri pentru a ghida și susține formarea osului prin OE.
„Până în prezent, foarte puține studii s-au concentrat pe proiectarea matricei pentru osificarea endocondrală – pentru regenerarea și repararea oaselor lungi”, spune Nukavarapu, renumit în departamentele de inginerie biomedicală și știința și ingineria materialelor.
„Prin dezvoltarea unei combinații de hidrogel hibrid, am fost capabili să formăm o matrice extracelulară care ar putea susține formarea cartilajului-șablon”.
Nukavarapu observă că vascularizarea este cheia reparației și regenerării segmentare a defectelor osoase. Problema principală cu osul format din OI este cauzată de lipsa vaselor de sânge, numită și vascularizare. Acest lucru înseamnă că OI nu este capabil să regenereze suficient țesut osos pentru a fi aplicat la defecte osoase mari care rezultă din traume sau boli degenerative, precum osteoporoza.
Deși mulți cercetători au încercat diverse strategii, vascularizarea cu succes a osului regenerat cu OI rămâne o provocare. Pe de altă parte, vascularizarea este un rezultat natural al OE, datorită dezvoltării unui cartilaj-șablon, a hipertrofiei condrocitelor și a formării eventuale de țesut osos.
În timp ce simplitatea OI a provocat limitări, beneficiile OE au drept rezultat un efect complex de echilibrare. OE necesită o coordonare spațială și temporală a diferitelor elemente, cum ar fi celulele, factorii de creștere și o matrice extracelulară sau schela pe care CSM-urile se atașează, proliferează și se diferențiază.
Cercetătorii anticipează că șabloanele de cartilaj cu condrocite hipertrofice vor îmbunătății factorii de formare a vaselor și vor iniția, de asemenea, formarea osului vascularizat. Nukavarapu spune că „utilizarea matricilor de cartilaj-șablon ar duce la dezvoltarea de noi strategii de reparare a oaselor, care nu implică factori nocivi de creștere”.
Deși se află încă în faza inițială de cercetare, aceste dezvoltări păstrează o promisiune pentru inovațiile viitoare.
,,Lucrarea lui Nukavarapu nu se referă numai la preeminența facultății UConn, ci și la potențialele aplicații din lumea reală a cercetării lor”, spune Radenka Maric, vicepreședinte pentru cercetările la UConn și UConn Health. „Laboratoarele UConn se extind cu aceste tipuri de inovații care contribuie la descoperiri științifice în domeniul sănătății, ingineriei, științei materialelor și în multe alte domenii”.
Cercetătorii urmăresc să integreze matricea extracelulară hibridă cu o platformă ajutătoare pentru a dezvolta șabloane de cartilaj, adecvate pentru repararea defectelor osoase lungi. Potrivit lui Nukavarapu, echipa de cercetare UConn speră că acesta este primul pas către formarea unui șablon hipertrofic de cartilaj cu toate componentele potrivite pentru a iniția formarea țesutului osos, vascularizarea, remodelarea și, în final, crearea de măduvă osoasă funcțională pentru remedierea defectelor osoase lungi prin OE.