3D-печать костных структур непосредственно во время операции

Ученые из Пенсильванского университета (США) разработали метод печати "костной" конструкции во время хирургической операции. Этот метод предназначен для того, чтобы позволить хирургам быстро заполнять костные дефекты, которые нелегко заживают сами по себе, и исследователи ускорили этот процесс, включив в него гены, способствующие формированию костной ткани. Соответственно, они называют полученную печатную биоконструкцию "генно-активированной матрицей". Гены включают фактор роста тромбоцитов (PDGF-B), который стимулирует близлежащие клетки к вторжению и пролиферации внутри конструкции, и костный морфогенетический белок (BMP-2), который стимулирует формирование кости. Этот метод может обеспечить продолжительное заживление, поскольку гены экспрессируются клетками внутри конструкции в течение длительного времени.

Информация об этом исследовании была опубликована в журнале Biomaterials.

Заживление больших дефектов в кости - сложная задача, поэтому ученые долгое время испытывали различные биоматериалы в этом контексте с целью создания скаффолда*, который мог бы поддерживать и стимулировать собственные клетки организма во время заживления кости. Они также начали экспериментировать с включением генетического материала в биоматериалы имплантатов, чтобы улучшить процесс заживления и направить клетки по нужному пути.

Как правило, биоматериалы представляют собой предварительно сформированные конструкции, которые необходимо вырезать, чтобы они соответствовали области, в которую они имплантируются. Однако новый подход интересен тем, что он предполагает использование биопечати непосредственно в дефект во время операции, что может быть более удобным и позволит хирургу легко заполнять повреждения неправильной формы.

"Факторы роста необходимы для развития клеток, - говорит Ибрагим Озболат, один из разработчиков новой методики. - Мы используем два разных гена, кодирующих два разных фактора роста. Эти факторы роста помогают стволовым клеткам мигрировать в область дефекта, а затем помогают клеткам-предшественникам** превратиться в кость".

Гены были доставлены в виде плазмид - небольших петель ДНК, которые обычно встречаются в бактериях. Исследователи искусно разработали конструкцию, позволяющую высвобождать гены в разные периоды времени, что помогает имитировать биохимические каскады и последовательную экспрессию генов, которые естественным образом происходят во время физиологических процессов в организме. PDGF-B был доставлен в виде простой плазмиды, что позволило быстро высвободить его в течение 10 дней. Однако BMP-2 был инкапсулирован в хитозановые наночастицы, что позволило высвобождать его в более продолжительное время - в течение 5 недель.

На данный момент команда Пенсильванского университета протестировала технологию на модели костного дефекта у крыс и обнаружила, что активированный генами материал позволил покрыть костный дефект примерно на 90% в течение шести недель, по сравнению с 25% у контрольных крыс, которые не получали никакого лечения.

* Скаффолд – это матричная структура биоматериала, которая служит субстратом и направляющей для регенерации тканей.  Он используется в сочетании с биологическими носителями, которые ускоряют процессы заживления и регенерации костной ткани.

** Клетки-предшественники - ранние потомки стволовых клеток, которые могут дифференцироваться с образованием одного или нескольких типов клеток.