В своей миссии по разработке новых биоматериалов, способствующих регенерации тканей, исследователи из Университета Дрекселя определили, насколько точно контролируемое воспаление имеет решающее значение для восстановления костей.
Их результаты, опубликованные на этой неделе в Journal of the Royal Society Interface, показывают, что новый тип керамического каркаса заставляет воспалительные клетки вести себя более регенерирующим образом, чем каркасы, которые в настоящее время используются в клинических условиях.
Дефекты костей критического размера – из-за удаления опухолей, огнестрельных ран и других травм – не могут зажить сами по себе, поэтому ученые ищут идеальное сочетание материала и механизма, которое будет направлять рост новой ткани.
"Ваши клетки не умеют плавать. Каждый раз, когда у вас отсутствует большой кусок кости, требуется каркас, чтобы закрыть этот зазор," сказала Кара Спиллер, доктор философии, доцент Школы биомедицинской инженерии, науки и систем здравоохранения.
Сотрудники Спиллера из Сиднейского университета в Австралии недавно разработали новые керамические каркасы, которые способствовали регенерации костей у животных, хотя исследователи не знали, почему именно эти биоматериалы процветают.
Исследовательская группа Drexel подозревала, что благоприятные исходы каркасов должны быть связаны с макрофагами – заглатыванием лейкоцитов, которые переваривают инородные частицы.
Макрофаги являются первичными клетками воспалительного ответа и могут быстро изменять свое поведение в ответ на окружающую среду. Когда воспалительный ответ работает должным образом, он может способствовать восстановлению тканей, но если он идет наперекосяк, он может привести к заболеванию. Задача исследователей Drexel состоит в том, чтобы выяснить, какой фенотип макрофагов лучше всего способствует росту тканей, не нарушая процесса заживления.
"Мы хотели узнать, почему эти каркасы оказались успешными, и понять вклад макрофагов в этот процесс," Спиллер сказал. "Как только вы поймете эти механизмы, вы сможете применять информацию для регенерации других типов тканей, помимо костной."
После получения макрофагов из моноцитов (другого типа лейкоцитов) исследователи высевали клетки на три различных типа каркасов и оценили различия в экспрессии их генов через несколько дней. Затем, чтобы определить, зависит ли поведение макрофагов от высвобождения растворимых факторов из каркаса, они сравнили клетки, находящиеся в прямом контакте с клетками, которые были отделены от каркаса мембраной.
Исследователи обнаружили, что новые керамические каркасы заставляют макрофаги трансформироваться в фенотип M2c, что означает, что они экспрессируют гены, связанные с ремоделированием. Такое поведение не наблюдалось в каркасах, одобренных для использования на людях. Их результаты также показали, что макрофаги должны находиться в прямом контакте с каркасом, чтобы регенерировать ткань.
"Макрофаги разрушают каркасы и превращают их во что-то новое," Спиллер сказал. "И это Святой Грааль тканевой инженерии – вы создаете каркас, который заменяет себя здоровой тканью."
Помимо первичных результатов, исследование также показало, что анализ поведения человеческих клеток вне тела является успешным способом исследования эффективности различных биоматериалов.
"Похоже, изучение клеток в чашке Петри полезно для того, чтобы увидеть, что происходит в организме," Спиллер сказал. "Исследования на животных дороги, отнимают много времени и не используют человеческие клетки, поэтому важно иметь возможность изучать человеческие клетки in vitro."
Затем исследователи попытаются выяснить, что именно в керамических каркасах – их состав, текстура или что-то еще – способствует соответствующему поведению макрофагов и последующей регенерации кости.
Спиллер сказал, что определение того, почему определенные каркасы успешно восстанавливают кость, в конечном итоге поможет биомедицинским инженерам разработать другие типы каркасов и новые стратегии доставки лекарств для ускорения заживления в других областях тела.