Knoglebandage opsuger pro-helende biokemiske for at fremskynde reparationen

Forskere ved Duke University har konstrueret en bandage, der fanger og holder et pro-healing molekyle på stedet for et knoglebrud for at accelerere og forbedre den naturlige helingsproces.

I en proof-of-principle undersøgelse med mus, bandagen hjalp med at fremskynde callusdannelse og vaskularisering for at opnå bedre knoglereparation med tre uger.

Forskningen peger i retning af en generel metode til forbedring af knoglereparation efter skader, der kan anvendes på medicinske produkter såsom bionedbrydelige bandager, implantatbelægninger eller knogletransplantater til kritiske defekter.

Resultaterne vises online den 12. december i tidsskriftet Avancerede materialer .

I 2014 Shyni Varghese, professor i biomedicinsk teknik, maskinteknik og materialevidenskab, og ortopædi hos Duke, undersøgte, hvordan populære biomaterialer lavet af calciumphosphat fremmer knoglereparation og regenerering. Hendes laboratorium opdagede, at biomolekylet adenosin spiller en særlig stor rolle i at anspore knoglevækst.

Efter yderligere undersøgelse, de fandt ud af, at kroppen naturligt oversvømmer området omkring en ny knogleskade med de pro-helende adenosinmolekyler, men de lokalt høje niveauer metaboliseres hurtigt og varer ikke længe. Varghese spekulerede på, om opretholdelse af disse høje niveauer i længere tid ville hjælpe helingsprocessen.

Men der var en fangst.

"Adenosin er allestedsnærværende i hele kroppen i lave niveauer og udfører mange vigtige funktioner, der ikke har noget at gøre med knogleheling, " sagde Varghese. "For at undgå uønskede bivirkninger, vi var nødt til at finde en måde at holde adenosinen lokaliseret til det beskadigede væv og på passende niveauer."

Varghese's løsning var at lade kroppen diktere niveauerne af adenosin og samtidig hjælpe det biokemiske med at holde sig lidt længere rundt om skaden. Hun og Yuze Zeng, en kandidatstuderende i Varghese's laboratorium, designet en biomateriale-bandage påført direkte på den brækkede knogle, der indeholder boronatmolekyler, der griber ind i adenosinen. Imidlertid, bindingerne mellem molekylerne varer ikke evigt, som tillader en langsom frigivelse af adenosin fra bandagen uden at samle sig andre steder i kroppen.

I den aktuelle undersøgelse, Varghese og hendes kolleger viste først, at porøse biomaterialer inkorporeret med boronater var i stand til at fange den lokale stigning af adenosin efter en skade. Forskerne anvendte derefter bandager primet til at fange værtens eget adenosin eller bandager præloaded med adenosin til skinnebensfrakturer i mus.

Efter mere end en uge, musene, der blev behandlet med begge typer bandager, helede hurtigere end dem med bandager, der ikke var klaret til at fange adenosin. Efter tre uger, mens alle mus i undersøgelsen viste helbredelse, dem, der blev behandlet med begge slags adenosin-snøret bandage, viste bedre knogledannelse, højere knoglevolumen og bedre vaskularisering.

Resultaterne viste, at ikke kun de adenosin-fangende bandager fremmer heling, de virker, uanset om de fanger naturligt adenosin eller er kunstigt fyldt med det, som har vigtige implikationer ved behandling af knoglebrud forbundet med aldring og osteoporose.

"Vores tidligere arbejde har vist, at patienter med osteoporose ikke producerer adenosin, når deres knogler brækker, " sagde Yuze. "Disse tidlige resultater indikerer, at disse bandager kunne hjælpe med at levere den nødvendige adenosin til at reparere deres skader og samtidig undgå potentielle bivirkninger."

Varghese og Yuze ser også flere andre veje frem for biomedicinske applikationer. For eksempel, de forestiller sig en biologisk nedbrydelig bandage, der fanger adenosin for at hjælpe med at hele brækkede knogler og derefter nedbrydes i kroppen. Eller for osteoporotiske patienter, en permanent bandage, der kan genoplades med adenosin på steder, der lider af gentagne skader. De forestiller sig også en smørende gel bevæbnet med adenosin, der kan hjælpe med at forhindre knogleskader forårsaget af slid og ælde i forbindelse med rekonstruktive ledoperationer eller andre medicinske implantater.

"Vi har demonstreret, at dette er en levedygtig tilgang og indgivet patent på fremtidige anordninger og behandlinger, men vi har stadig lang vej igen, " sagde Varghese. "Båndagerne kunne konstrueres til at fange og holde på adenosin mere effektivt. Og selvfølgelig skal vi også finde ud af, om disse resultater holder hos mennesker eller kan forårsage bivirkninger."