Wszechstronna powłoka biomimetyczna do powlekania implantów kostnych
Syntetyczne przeszczepy kostne pojawiły się w ortopedii i chirurgii szczękowo-twarzowej jako alternatywne rozwiązanie w chirurgii rekonstrukcyjnej twarzy i żuchwy oraz po leczeniu nowotworów i operacjach wymiany stawu biodrowego. Poza dobrymi właściwościami mechanicznymi, przeszczepy syntetyczne wykazują obecnie zdolność do osteokondukcji: cząsteczki takie, jak czynniki wzrostu, są włączone do ich konstrukcji, aby stymulować regenerację kości po operacji. Jednakże przeszczepy nie kontrolują uwalniania tych bioaktywnych cząsteczek i powodują stany zapalne, infekcje, nieprawidłowe gojenie się kości lub są strukturalnie niewystarczające, aby skorygować defekty o dużych rozmiarach.
Powłoka biomimetyczna stymulująca regenerację kości
Najlepiej byłoby, gdyby przeszczepy syntetyczne były zaprojektowane tak, aby imitowały środowisko kostne in vivo, umożliwiając przestrzenne i czasowe uwalnianie fizjologicznych ilości bioaktywnych cząsteczek. Aby rozwiązać ten problem, w ramach finansowanego przez UE projektu REGENERBONE opracowano innowacyjne implanty medyczne o właściwościach osteoindukcyjnych. Projekt oparty na technologii opracowanej w ramach finansowanego ze środków UE projektu BIOMIM, wykorzystującej powłoki biomimetyczne, które można umieścić na dowolnym materiale. Wytwarzane techniką nakładania warstwa po warstwie, powłoki biomimetyczne zawierają dwa biopolimery, które są powszechne w tkankach chrzęstnych i kostnych: kwas hialuronowy i lizynę. Ponadto zawierają one białko morfogenetyczne kości typu 2 (BMP-2) odpowiedzialne za aktywację komórek progenitorowych kości i ich różnicowanie w komórki kostne. BMP-2 zostało już zatwierdzone do użytku klinicznego w naprawie kości. „Kontrolując warunki dodawania BMP-2 do powłoki, możemy precyzyjnie kontrolować dawkę BMP-2, którą dostarczymy in vivo”, podkreśla Catherine Picart, główna badaczka projektu. Ponadto powłoki biomimetyczne charakteryzują się porowatością w nanoskali, która nadaje im kontrolowaną sztywność i pozwala na precyzyjne dostrojenie uwalniania BMP-2 blisko powierzchni implantu. Powłoki biomimetyczne mogą być nakładane na praktycznie każdy wszczepialny materiał niezależnie od jego składu chemicznego, geometrii, kształtu i rozmiaru, w tym na ceramikę, polimery i metale. „Jest to wielka zaleta, która sprawia, że nasze powłoki nadają się do wszystkich rodzajów przeszczepów syntetycznych, stosowanych obecnie w strategiach wymiany kości”, podkreśla Picart.
Skuteczność regeneracji kości
Implanty powlekane wykazały zdolność do osteoindukcji in vivo podczas testów w modelach przedklinicznych. Ponadto, naukowcy użyli wydrążonych polimerowych cylindrów pokrytych powłokami osteoindukcyjnymi do naprawy dużych ubytków kostnych w kościach udowych szczurów. Zakres naprawy był zależny od dawki BMP-2, a fizjologia nowo powstałej tkanki przypominała tę naturalnej kości. Naukowcy z projektu REGENERBONE byli również w stanie naprawić wady żuchwy w modelu dużego zwierzęcia. Ten rodzaj uszkodzenia rozmiarem przypomina te, z którymi mierzą się chirurdzy w swojej praktyce. W tym celu badacze zaprojektowali innowacyjny implant do wypełniania ubytku kostnego. Powłoka biomimetyczna zapewniła skuteczną naprawę kości w procesie zależnym od BMP-2 bez niepożądanych efektów.
Przyszłe kierunki działań
Obiecujące wyniki skłoniły naukowców projektu REGENERBONE do wystąpienia o zgodę na badanie produktów biomimetycznych na ludziach. Odbywać się to będzie we współpracy z Centrum Badań Klinicznych Sieci Technologii Innowacyjnych CIC-IT w Bordeaux, specjalizującym się w przekładzie innowacyjnych wyrobów medycznych. Co ważne, wszechstronność technologii pozwoli na konstruowanie implantów dopasowanych do każdego konkretnego ubytku kostnego. Zastosowanie powłok biomimetycznych wykracza poza implanty kostne i może być wykorzystane do pokrywania mikropłytek hodowli komórkowych do badania sygnalizacji komórkowej i kontroli różnicowania komórek macierzystych. To zastosowanie zostało zbadane w ramach projektu BIOACTIVECOATINGS, finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) i może być wykorzystywane do badań przesiewowych leków oraz w inżynierii tkankowej i toksykologii.
Słowa kluczowe
REGENERBONE, biomimetyka, BMP-2, uszkodzenie kości, przeszczep syntetyczny, implant kostny, osteoindukcja, regeneracja kości, BIOMIM, BIOACTIVECOATINGS
