Sukkerbelagt nanomateriale udmærker sig ved at fremme knoglevækst

Der har ikke været en guldstandard for, hvordan ortopædiske rygsøjlekirurger fremmer ny knoglevækst hos patienter, men nu har forskere fra Northwestern University designet et bioaktivt nanomateriale, der er så godt til at stimulere knogleregenerering, at det kunne blive den metode, kirurger foretrækker.

Mens de blev studeret i en dyremodel for spinal fusion, metoden til at fremme ny knoglevækst kunne let oversættes til mennesker, siger forskerne, hvor en aldrende, men aktiv befolkning i USA i stigende grad modtager denne operation for at behandle smerter på grund af diskusdegeneration, traumer og andre rygproblemer. Mange andre procedurer kunne drage fordel af nanomaterialet, lige fra reparation af knogletraume til behandling af knoglekræft til knoglevækst til tandimplantater.

"Regenerativ medicin kan forbedre livskvaliteten ved at tilbyde mindre invasive og mere succesrige tilgange til at fremme knoglevækst, sagde Samuel I. Stupp, som udviklede det nye nanomateriale. "Vores metode er meget fleksibel og kan tilpasses til regenerering af andre væv, inklusive muskler, sener og brusk."

Stupp er direktør for Northwesterns Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology og bestyrelsen, professor i materialevidenskab og teknik, Kemi, Medicin og biomedicinsk teknik.

Til det tværfaglige studie, Stupp samarbejdede med Dr. Wellington K. Hsu, lektor i ortopædkirurgi, og Erin L.K. Hsu, forskningsassistent professor i ortopædkirurgi, begge ved Northwestern University Feinberg School of Medicine. Mand-og-kone-teamet arbejder på at forbedre klinisk anvendte metoder til knogleregenerering.

Sukkermolekyler på overfladen af ​​nanomaterialet giver dets regenererende kraft. Forskerne undersøgte in vivo effekten af ​​det "sukkerbelagte" nanomateriale på aktiviteten af ​​en klinisk anvendt vækstfaktor, kaldet knoglemorfogenetisk protein 2 (BMP-2). De fandt, at mængden af ​​protein, der er nødvendig for en vellykket spinalfusion, var reduceret til et hidtil uset niveau:100 gange mindre af BMP-2 var nødvendigt. Dette er meget gode nyheder, fordi vækstfaktoren er kendt for at forårsage farlige bivirkninger, når den bruges i de mængder, der kræves for at regenerere knogler af høj kvalitet, og det er også dyrt.

Resultaterne blev offentliggjort i dag (19. juni) i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Stupps biologisk nedbrydelige nanomateriale fungerer som en kunstig ekstracellulær matrix, som efterligner, hvad celler i kroppen normalt interagerer med i deres omgivelser. BMP-2 aktiverer visse typer stamceller og signalerer dem til at blive knogleceller. Den nordvestlige matrix, som består af bittesmå nanoskala filamenter, binder proteinet ved molekylært design på den måde, som naturlige sukkerarter binder det i vores kroppe og frigiver det derefter langsomt, når det er nødvendigt, i stedet for i et tidligt udbrud, som kan bidrage til bivirkninger.

For at skabe nanostrukturerne, forskerholdet ledet af Stupp syntetiserede en specifik type sukker, der ligner dem, der bruges af naturen til at aktivere BMP-2, når cellesignalering er nødvendig for knoglevækst. Hurtigt bevægelige fleksible sukkermolekyler, der vises på overfladen af ​​nanostrukturerne, "griber" proteinet på et bestemt sted, der er præcis det samme, som bruges i biologiske systemer, når det er tid til at implementere signalet. Dette forstærker de knoglevoksende signaler til et overraskende niveau, der overgår selv de naturligt forekommende sukkerpolymerer i vores kroppe.

I naturen, sukkerpolymererne er kendt som sulfaterede polysaccharider, som har superkomplekse strukturer, som er umulige at syntetisere på nuværende tidspunkt med kemiske teknikker. Hundredvis af proteiner i biologiske systemer er kendt for at have specifikke domæner til at binde disse sukkerpolymerer for at aktivere signaler. Sådanne proteiner omfatter dem, der er involveret i væksten af ​​blodkar, celle rekruttering og celleproliferation, alt sammen meget vigtigt biologisk i vævsregenerering. Derfor, Stupp-teamets tilgang kunne udvides til andre regenerative mål.

Spinal fusion er en almindelig kirurgisk procedure, der forbinder tilstødende hvirvel ved hjælp af et knogletransplantat og vækstfaktorer for at fremme ny knoglevækst, som stabiliserer rygsøjlen. Den knogle, der bruges i transplantatet, kan komme fra patientens bækken - en invasiv procedure - eller fra en knoglebank.

"Der er et reelt behov for en klinisk effektiv, sikker og omkostningseffektiv måde at danne knogler på, " sagde Wellington Hsu, en rygsøjlekirurg. "Succesen med dette nanomateriale gør mig begejstret over, at enhver rygsøjlekirurg en dag kan abonnere på denne metode til knogletransplantation. Lige nu, hvis du spørger et publikum af rygsøjlekirurger, du vil få 15 til 20 forskellige svar på, hvad de bruger til knogletransplantation. Vi er nødt til at standardisere valg og forbedre patientresultater."

I in vivo-delen af ​​undersøgelsen, nanomaterialet blev leveret til rygsøjlen ved hjælp af en kollagensvamp. Dette er den måde, hvorpå kirurger i øjeblikket leverer BMP-2 klinisk for at fremme knoglevækst.

Forskerholdet i Northwestern planlægger at søge godkendelse fra Food and Drug Administration til at lancere et klinisk forsøg, der studerer nanomaterialet til knogleregenerering hos mennesker.

"Vi kirurger leder efter optimale bærere for vækstfaktorer og celler, " sagde Wellington Hsu. "Med sine mange bindingssteder, de lange filamenter af dette nye nanomateriale er mere succesrige end eksisterende bærere til at frigive vækstfaktoren, når kroppen er klar. Timing er afgørende for succes med knogleregenerering."

I det nye nanomateriale, sukkerarterne vises i et stillads bygget af selvsamlende molekyler kendt som peptidamfifiler, først udviklet af Stupp for 15 år siden. Disse syntetiske molekyler har været afgørende i hans arbejde med regenerativ medicin.

"Vi fokuserede på knogleregenerering for at demonstrere styrken af ​​sukkernanostrukturen til at give et stort signalboost, " sagde Stupp. "Med små designændringer, metoden kunne bruges sammen med andre vækstfaktorer til regenerering af alle slags væv. En dag kan vi måske helt gøre op med brugen af ​​vækstfaktorer lavet af rekombinant bioteknologi og i stedet styrke de naturlige i vores kroppe."

Artiklen har titlen "Sulfated Glycopeptide Nanostructures for Multipotent Protein Activation."