Aynı laboratuvardan çıkan iki yenilikçi gelişme, önce doku rejenerasyonu için gerekli proteinleri hedeflemek için "dans eden moleküller" kullanarak, ardından da kıkırdak büyümesini teşvik etmek için iskele görevi gören hibrit bir biyomateryal yardımıyla bozulmuş kıkırdağın onarılabileceğini ve yeniden büyütülebileceğini gösterdi. Doğanın kendi başına yapamadığını yapma potansiyeline sahipler — kıkırdağı yeniden büyütmek — bu da osteoartrit de dahil olmak üzere her türlü eklem ağrısını hafifletmek ve total diz rekonstrüksiyonları gibi büyük ameliyatları ortadan kaldırmak için kullanılabilir.
Northwestern Üniversitesi'nden baş araştırmacı Samuel Stupp, "Kıkırdak eklemlerimizde kritik bir bileşendir" dedi. "Kıkırdak zamanla hasar gördüğünde ya da parçalandığında, insanların genel sağlığı ve hareketliliği üzerinde büyük bir etkisi olabilir. Sorun şu ki, yetişkin insanlarda kıkırdak doğal olarak iyileşme yeteneğine sahip değildir. Yeni tedavimiz, doğal olarak yenilenmeyen bir dokuda onarımı tetikleyebilir. Tedavimizin ciddi ve karşılanmamış bir klinik ihtiyacı gidermeye yardımcı olabileceğini düşünüyoruz."
Koyun eklemlerindeki hasarlı kıkırdağı yeniden büyütmek için kullanılan hibrit biyomateryal denemesi, "dans eden moleküller" ya da hücreler için güçlü sinyallere sahip yüz binlerce molekül içeren sentetik nanoliflerin kullanıldığı çalışmanın hemen ardından geldi. Kimyasal yapılarını "dans edecek" ya da hızla hareket edecek şekilde değiştiren Stupp ve ekibi, bu moleküllerin hücresel reseptörlerin yerini hızla tespit edebildiğini ve onlarla bağlantı kurabildiğini keşfetti. Nanolifler vücudun içinde, çevreleyen dokunun hücre dışı matrisi ile hizalanıyor ve doğal hücresel iletişimi taklit ediyor.
Stupp, "Hücresel reseptörler sürekli hareket halindedir," dedi. "Moleküllerimizin hareket etmesini, 'dans etmesini' ve hatta supramoleküler polimerler olarak bilinen bu yapılardan geçici olarak sıçramasını sağlayarak, reseptörlerle daha etkili bir şekilde bağlantı kurabilirler."
Ekip, daha sonra vücutta bulunan ve kıkırdak (ve kemik) büyümesinde çok önemli olan dönüştürücü büyüme faktörü beta-1 (TGFb-1) proteinini hedeflemek için dairesel bir peptit geliştirdi. Araştırmacılar, yavaş hareket eden molekülleri "dans eden" düzenekle karşılaştırdıklarında, ikincisinin TGFb-1 reseptörlerini aktive etmede önemli ölçüde daha etkili olduğunu buldular.
Stupp, "Üç gün sonra, daha hareketli moleküllerin uzun montajlarına maruz kalan insan hücreleri, kıkırdak rejenerasyonu için gerekli protein bileşenlerinden daha fazla miktarda üretti" dedi. "Kolajen II olarak bilinen kıkırdak matrisindeki bileşenlerden birinin üretimi için, TGF-beta1 reseptörünü aktive eden siklik peptidi içeren dans eden moleküller, biyolojik sistemlerde bu işleve sahip olan doğal proteinden bile daha etkiliydi."
Ekip şimdi bu dans eden moleküller sistemini yenilenen kemik üzerinde test ediyor ve sonuçlar bu yıl içinde yayınlanacak. Ekip ayrıca bu gelişmeyi omurilik onarımı için klinik deneylere taşımayı umuyor.
Bununla birlikte, Stupp laboratuvarından çıkan tek keşif bu değil, koyunların eklemlerinde kıkırdağın yenilendiğini gören başka bir yaklaşım da var. İkinci çalışmada ekip, dans eden moleküller yerine, çok önemli TGFb-1 proteinine bağlanan biyoaktif bir peptitten ve eklemler de dahil olmak üzere vücudun bileşenlerini yağlayan doğal yapışkan madde olan modifiye edilmiş bir hyaluronik asitten oluşan hibrit bir biyomateryal geliştirdi.
Stupp, "Birçok insan hyaluronik asidi bilir çünkü cilt bakım ürünlerinde popüler bir bileşendir" dedi. "Ayrıca eklemler ve beyin de dahil olmak üzere insan vücudundaki birçok dokuda doğal olarak bulunur. Onu seçtik çünkü kıkırdakta bulunan doğal polimerlere benziyor."
Ekip bu biyomateryali, kıkırdağın doğal yapısını taklit ederek nano ölçekli lif organizasyonunu demetler halinde uyarmak için kullandı. Bu, esasen vücut hücrelerini üzerinde kıkırdak dokusunu yeniden oluşturmaya teşvik edecek biyo-dostu bir iskele oluşturdu.
Bu 'lastiksi yapışkan' biyomateryal koyunların hasarlı diz kıkırdağına yerleştirildi ve altı ay içinde doku, doğal biyopolimerlerden (kolajen II ve proteoglikanlar) oluşan yeni kıkırdak büyümesinin yanı sıra gelişmiş onarım gösterdi. Yapay iskele doğal olarak bozulurken yeni kıkırdak yapısının sağlam kalmasıyla, daha önce hasar görmüş eklemde ağrısız hareket ve etkili stabilite ile sonuçlandı.
Stupp, "Koyun modeli üzerinde yapılan bir çalışma, tedavinin insanlarda nasıl işleyeceği konusunda daha öngörülüdür" dedi. "Diğer küçük hayvanlarda kıkırdak rejenerasyonu çok daha kolay gerçekleşiyor."
Ekip, bu kalın macun benzeri biyomateryalin, mevcut mikrofraktür prosedürleri yöntemine kıyasla, kıkırdak onarımını teşvik etmek için daha az invaziv bir yol olarak ameliyatta kullanılabileceğine inanıyor.
Stupp, "Mikrokırık yaklaşımıyla ilgili temel sorun, işlevsel eklemlere sahip olmak için ihtiyaç duyduğumuz hiyalin kıkırdağın aksine, genellikle fibrokıkırdak — kulaklarımızdaki aynı kıkırdak — oluşumuyla sonuçlanmasıdır" dedi. "Hiyalin kıkırdağı yenileyerek, yaklaşımımız aşınma ve yıpranmaya karşı daha dirençli olmalı, kısıtlı hareketlilik ve eklem ağrısı sorununu uzun vadede çözmeli ve aynı zamanda büyük donanım parçalarıyla eklem rekonstrüksiyonu ihtiyacını ortadan kaldırmalıdır."
İlk çalışma The Journal of the American Chemical Society dergisinde yayınlanırken, biyomateryal çalışması Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinde yayınlandı.