Хрящ - это аваскулярная, ановерная и алимфатическая ткань в организме. [ 5 ] Внеклеточный матрикс (ECM) коллагена - это то, что придает ему высокую прочность. На рисунке ниже показаны компоненты ECM.
Компоненты внеклеточного матрикса хряща, включая агрегаты протеогликана, коллаген, интегрины и фибронектин. Вода : вода составляет около 80% хряща. [ 2 ]
Хондроциты : хондроциты - это клетки, которые продуцируют и поддерживают хрящевую матрицу. Они редко рассеяны по всему хрящ и составляют только около 2% от общего объема хряща. [ 5 ] Хондроциты различаются по размеру, форме и концентрации в зависимости от их расположения в суставном хряще. [ 5 ]
Коллаген : коллаген - это структурный белок, присутствующий во внеклеточном матрикре хряща. Коллаген состоит из тройной спиральной структуры полипептидных цепей и предлагает сдвиг и растягивающие свойства для хряща. [ 5 ] Коллаген типа II является наиболее распространенным типом коллагена, присутствующего в хряще, хотя типы IX, X, XI и XIV также присутствуют. [ 2 ] В целом, коллаген - это стабилизирующий белок, присутствующий в ECM.
Протеогликаны : протеогликаны являются второй наиболее распространенной макромолекулой в ECM хряща. [ 5 ] Протеогликаны состоят из линкерного белка, а также основной белок, к которому прикрепляются гликозаминогликаны (GAGS). Наиболее распространенными приколами являются хондроитинсульфат и кератин сульфат. Протеогликаны присоединяются к центральной цепи, обычно гиалуроновой кислоте через линкерный белок, для создания более крупных агрегатов протеогликана. [ 3 ] Протеогликаны являются гидрофильными и, следовательно, притягивают и сдерживают молекулы воды. Это обеспечивает хрящ с его внутренней способностью сопротивляться сжатию.
Гликопротеины : Многие другие гликопротеины присутствуют в хряще в ECM в небольших количествах, которые помогают поддерживать структуру и организацию. [ 5 ] В частности, Lubricin помогает создать смазочную поверхность на хряще для легкой подвижности сустава. [ 2 ] Фибронектин и интегрины других гликопротеинов, которые помогают в адгезии хондроцитов к ECM.
Структурные зоны в хряще, включая хондроцит и коллагеновое расположение.
В суставном хряще есть три структурные зоны, в том числе поверхностная тангенциальная зона, средняя переходная зона и глубокая зона. В тангенциальной зоне коллагеновые волокна выровнены параллельно поверхности и постепенно выровняются при перемещении в глубокую зону. Волокна коллагена в поверхностной зоне выровнены параллельно поверхности, чтобы ограничить напряжения сдвига. Точно так же коллагеновые волокна выровнены перпендикулярно поверхности в глубокой зоне, чтобы ограничить сжатые силы. [ 5 ] Между костью и глубокой зоной лежит кальцифицированный хрящ. Расположение ячейки также варьируется между зонами, в более глубоких зонах хондроциты сложены в столбцы, а в поверхностных зонах они расположены случайным образом. [ 3 ] В поверхностных областях клетки также более удлинены, в то время как в более глубоких зонах они более сферические по своей природе. [ 5 ]
Синтетический хрящ может быть составлен из множества различных материалов, которые имитируют его функциональные свойства. Принципы тканевой инженерии включают в себя использование клеток, факторов роста и синтетических каркасов для этого. [ 6 ]
Клетки: хондроциты являются очевидным выбором для использования в регенерации хряща из -за их способности секретировать коллаген и другие компоненты ECM, необходимые для функциональных свойств хряща. [ 6 ] Хондроциты могут быть собраны из невестного суставочного пространства индивидуального и культивированного. К сожалению, хондроциты, собранные у отдельных лиц, могут дедифференцировать и потерять свои свойства. Кроме того, стареющие хондроциты демонстрируют меньшую метаболическую активность и могут не продуцировать функциональные белки или недостаточно функциональных белков для создания желаемого ECM. Мезенхимальные стволовые клетки также могут быть использованы для создания хондроцитов и возможной регенерации хряща. [ 6 ]
Человеческие плюрипотентные стволовые клетки (IPSC) являются альтернативным источником клеток, которые могут самообноваться и обеспечивают почти неограниченное количество клеток с плюрипотентными возможностями, или способность дифференцироваться во многих различных типах клеток. [ 7 ]
Биоинки: это материалы, используемые для разработки искусственной живой ткани с использованием технологии 3D -печати. [ 8 ] Биоинки могут быть составлены исключительно из клеток, но обычно представляют собой комбинацию клеток и носителя, часто биополимерного геля. [ 8 ]
Скасто используются в тканевой инженерии для создания среды с аналогичными механическими свойствами нативной ткани. Скафочки должны быть биосовместимыми и иметь высокую прочность на сжатие. Скафочки могут быть созданы из гидрогелей, полимеров или другого материала. Гидрогели-это слегка сшитые полимерные сети, опухшие с водой. Степень сшивания, пористости и полимерного состава может быть настроена на создание гидрогеля с аналогичными свойствами для нативного хряща. [ 6 ] Исследователи изучают использование гидрогелей в качестве замены хряща с 1970 -х годов. [ 9 ]
Природный суставной хрящ - это неоднородная , анизотропная и вязкоупругая ткань. [ 10 ] Структура, описанная выше 1.1.2. позволяет хрящной ткани иметь превосходные механические свойства, чтобы выполнить необходимые функции. Синтетический хрящ попытается имитировать функциональные свойства естественного хряща, которые можно разбить на два основных аспекта.
Свойства с нагрузкой : одна из основных функций суставного хряща заключается в том, что он способен эффективно переносить повторную циклическую нагрузку в кость. Эта нагрузка сжимания может быть в несколько раз больше массы тела из -за таких действий, как ходьба и бег, однако хрящ достигает этой функции путем рассеивающей энергии . [ 10 ]
Трибологические свойства: вторая основная функция суставного хряща заключается в том, что он может быть практически не износом в течение жизни. Он достигает этой функции, обеспечивая смазываемую поверхность с коэффициентом трения вблизи нуля. [ 10 ] Создавая гладкую поверхность, эта смазка предотвращает как клеточную, так и белковую адгезию, а также защищает суставной хрящ от повреждения. [ 11 ]
Это важные функции хряща из -за его роли в качестве подушки в сортовой артикуляции. [ 12 ] Когда повреждение и деградация возникает в суставном хряще, он больше не может противостоять большим нагрузкам без боли и дискомфорта от человека из -за уменьшения механических свойств.
После анализа нагрузочного подшипника и трибологических свойств естественного хряща эти механические свойства могут быть достигнуты в зависимости от структуры и компонентов созданного гидрогеля, которые будут обсуждаться далее в разделе существующих методов. [ 13 ] Эти оптимальные свойства можно сравнить с созданным синтетическим хрящом. Свойства созданных гидрогелей могут значительно различаться в зависимости от компонентов и структуры. [ 10 ] Кроме того, чрезвычайно трудно достичь всех механических функций естественного хряща, которая является конечной целью синтетического хряща.
При работе с созданием гидрогелей есть дополнительные функции, которые необходимо учитывать. Например, гидрогель должен обладать правильными свойствами деградации, чтобы получить регенерацию ячейки в правильные временные рамки, которые гидрогель примет для разложения. Кроме того, гидрогель не должен создавать токсичные отходы при ухудшении. Эти функции были протестированы путем сравнения напряжения , модуля и содержания воды до и после имплантации различных композиций гидрогелей. [ 14 ]
Существует много существующих методов, касающихся регенеративной терапии хряща, а также разработки нового искусственного хряща. Во -первых, будет обсуждаться регенеративная терапия от остеоартрита. В последние годы произошли существенные достижения в разработке этих регенеративных методов лечения. К ним относятся противодействие, противовоспалительность и регенерацию хряща на основе клеток и каркасов.
Многие биологические агенты и химические соединения были использованы для предотвращения разлагающих матриц ферментов, которые активно работают над ухудшением хряща. Моноклональные антитела, чаще всего изучаются 12F4.1H7, работают, чтобы специфически подавлять ADAMTS-5-индуцированные агрессивные высвобождения. Это, в свою очередь, помогает замедлить деградацию хряща и образование остеофитов. [ 15 ]
Ингибирование медиаторов воспаления может помочь предотвратить прогрессирование остеоартрита . Цитокины и хемокины имеют решающее значение для стимулирования катаболизма хряща и блокировки этих воспалительных медиаторов. Исследования показали, что лечение ингибитором пути пути NF-κB Bay11-7082 восстанавливает хондрогенез IL-1B-ингибируемый хондрогенез хряща стволовых клеток и, в свою очередь, по очереди поступит прогрессирование ОА. Точно так же достаточно исследований показывают, что комбинированная блокада TNFA и IL-17 с биспецифичными антителами выявляет ингибирование как цитокинов для снижения деградации хряща, так и провоспалительных реакций. [ 15 ]
Чтобы восстановить суставный хрящ после травмы из -за потери хондроцитов, было показано, что клеточная терапия и пополнение хондроцитов работают в определенных исследованиях. Лежащие самооборные MSC ( мезенхимальные стволовые клетки ) сверху кандроцит-насыщенных гидрогелевых каркасов показали клеточную регенерацию гиалиноподобного хряща. Тем не менее, один из недостатков этого заключается в том, что имплантация этих каркасов требует операции на открытом младении, чтобы собрать донорские хондроциты из несущих суставных хрящ. Это затрудняет применение к пожилым людям. [ 15 ]
Наряду с регенеративной терапией есть также несколько исследований, которые показывают способы разработки нового искусственного хряща.
Трехмерный тканый волоконно -каркас, проникающий в сетевые гидрогели
В одном исследовании обсуждалось, что трехмерные тканые волокна обеспечивают трибологические свойства нагрузки нативного хряща, где они пытаются достичь среды без трения. Гидрогели используются в качестве клеточных носителей, потому что они могут быть легко посеяны клетками. Тем не менее, трудно воссоздать как биомеханические, так и химические функции природной ткани. Гидрогели интерпретации сетей (IPN) представляют собой два разных полимера , смешанных друг с другом в молекулярном масштабе. Это работает для повышения выносливости переломов . Они представляют собой ионически сшитые сети с специальным типом IPN, который способен рассеять механическую энергию при сохранении формы гидрогеля после деформации. [ 10 ]
Структура двойного сетевого гидрогеля можно увидеть, объединив показан синий и красного гидрогеля.
Подобно предыдущему исследованию, используются двойные сетевые гидрогели. Они состоят из двух видов гидрофильных полимеров. Через 6 недель имплантации образцы по сравнению с частями без лечения показали биоразлагаемые свойства. При использовании поли (2-акриламид-2-метил-пропановой сульфоновой кислоты)/поли (N, N'-диметилакриламид) или PAMPS/PDMAAM Ultimate Stress и Tangent Modulus. Однако при использовании бактериальной целлюлозы и желатина он показал снижение окончательного стресса и не соответствовало требованиям искусственного хряща. [ 14 ]
В 2020 году разработчики объединили бактериальную сеть нановолокна целлюлозы с поли (виниловым спиртом) (PVA)-поли (2-акриминамидо-2-метил-1-пропанесульфоновая натриевая соль) (PAMPS) двойной сетевой гидрогель. [ 16 ] Искусственный хрящ демонстрировал ту же силу и модуль, что и естественный хрящ с точки зрения натяжения и сжатия, и был первым вариантом, созданным в лаборатории для демонстрации силовой усталости для хряща. [ 16 ] Гидрогель должен пройти дальнейшее лабораторное тестирование, прежде чем исследователи определили, можно ли его перенести в клиническое использование. [ 17 ] Гидрогели PVA, полученные несколькими замораживающими оттаивающими, без извне добавленного сшивающего агента, также демонстрировали большие обещания с точки зрения биосовместимости, устойчивости к износу, амортизации, коэффициента трения, гибкости и смазки (из-за поглощения/экскремента тела жидкости). [ 1 ] Двухлетняя имплантация гелей PVA в качестве искусственного мениска у кроликов показала, что они остаются нетронутыми без разложения, перелома или потери свойств. [ 1 ]
В этом методе используется гидрогель, который содержится в пористом полимере на основе силиконового, называемого полидиметилсилоксаном (PDMS). [ 18 ] [ 19 ] Полимер позволяет гидрогелю выдерживать в 14-19 раз больше силы, чем он мог самостоятельно. [ 18 ] [ 19 ]
Клиническое применение чрезвычайно важно учитывать при рассмотрении эффективности искусственного хряща. Недавние клинические подходы к регенерации хряща при лечении остеоартрита описаны ниже.
В определенных исследованиях матричная индуцирует имплантацию мезенхимальных стволовых клеток, показала более ранние клинические улучшения по сравнению с простой имплантацией хондроцитов. MSC способствовали регенерации хряща в коленях, у которых был остеоартрит, а также снижала боль и инвалидность. [ 15 ]
Поли (виниловый спирт) (PVA) гидрогели использовались в этом исследовании. Было трудно удовлетворить механические свойства суставного хряща, используя этот гидрогель. Не было никаких воспалительных или дегенеративных изменений в суставном хряще или синовиальной мембране, окружающих этот искусственный хрящ PVA. Гидрогели PVP также были изучены. Они демонстрируют высокую гидрофильность, биосовместимость и комплексную способность. При использовании в качестве смеси гидрогеля PVA/PVP они производили аналогичную внутреннюю трехмерную структуру и содержание воды, как природное суставное хрящ. Лучшие механические свойства и система трения были смешаны гидрогель с 1 мас. % Pvp. Из-за большей межцелевой водородной связи , добавление PVP к чистому PVA оказалось лучшим вариантом. Они действовали точно с характерным вязкоупругим поведением суставного хряща. [ 13 ]
В июле 2016 года США одобрили использование синтетического хряща для лечения артрита в суставе большого пальца ноги. [ 20 ] Имплантат изготовлен из физиологического раствора и био-совместимого полимера и вводится через разрез между плюсневым суставом (МТП), где естественный хрящ изношен. [ 20 ] Это исследуются для использования в других суставах. [ 20 ] Отдельный ортопедический имплантат, состоящий из гидратированной, интерпентрирующей двойной полимерной сети на основе полиэфира уретана (PEU), в июле 2021 года было назначено прорывное обозначение Управления по контролю за продуктами и лекарствами США. [ 16 ]
В сентябре 2021 года исследователи использовали инженерный хрящ на основе носа на основе хондроцитов для лечения остеоартритных суставов у двух пациентов. [ 21 ]
В 2021 году исследователи из Университета Суонси сотрудничали с Fround Foundation с биопринтом 3D-трансплантируемого хряща, изготовленного из стволовых клеток человека и растительных материалов, чтобы дать 10-летней девочке пересадку уха. [ 22 ] Этот метод устранил необходимость извлечения хряща из других мест на теле пациента. [ 22 ]
С точки зрения будущей работы, в этой области еще многое предстоит сделать. Искусственный хрящ - это новая тема исследования, и многое до сих пор неизвестно. Существует множество неизвестных факторов, связанных с ASCP, и необходимо провести дополнительные исследования, чтобы сделать более подтвержденный вывод о регенеративных функциях ASCP. [ 23 ] Кроме того, факторы роста были тщательно оценены; Тем не менее, конкретные комбинации по -прежнему должны быть изучены дальше, чтобы более эффективно генерировать ткань, которая может имитировать свойства естественного хряща. [ 12 ] В 2021 году Марк С. Хохберг, глава отделения ревматологии и клинической иммунологии в Медицинской школе Университета Мэриленда , сказал, что «Святой Грааль» будет соединением, которое уменьшило бы деградацию хряща и/или восстанавливает нормальный хрящ при уменьшении боли. Полем [ 24 ]
В 2017 году ученые из Технологического университета Чалмерса в Швеции продемонстрировали инженерию из хряща с использованием 3D биопринтинг. [ 25 ] Они использовали два разных биоинки с нанофибриллированной целлюлозой (NFC) для проведения тестов: NFC с альгинатом (NFC/A) и гиалуроновой кислотой (NFC/HA). [ 25 ] Биоинки были совместно назначены облученными человеческими хондроцитами [8]. Команда имела успех с NFC/A. [ 25 ]
В сентябре 2021 года исследователи создали имплантаты восстановления хряща, используя процесс трехмерного ткачества для объединения искусственных материалов с стволовыми клетками. [ 26 ] [ 27 ] Биологические имплантаты предназначены для частично растворения с течением времени, оставляя только натуральные ткани в восстановленных суставах. [ 26 ] [ 27 ] По состоянию на октябрь 2021 года ученые добились успеха в лечении собак, но необходимы дальнейшие исследования, прежде чем техника сможет перейти в клинические испытания для людей. [ 28 ]
^ Jump up to: а беременный в дюймовый Armiento AR, Stoddart MJ, Alini M, Eglin D (январь 2018 г.). «Биоматериалы для инженерии из суставного хряща: обучение на биологии» Acta Biomaterialia 65 : 1–2 Doi : 10.1016/ j.acbio.2017.11.0 29128537PMID
^ Bray JC, Merrill EW (сентябрь 1973 г.). «Поли (виниловый спирт) гидрогели для синтетического суставного хряща». Журнал исследований биомедицинских материалов . 7 (5): 431–443. doi : 10.1002/jbm.820070506 . PMID 4745791 .
^ Jump up to: а беременный Азума С., Ясуда К., Танабе Ю., Танигуро Х., Каная Ф., Накаяма А. и др. (Май 2007). «Биодеградация двойных сетевых гидрогелей с высокой каплей в качестве потенциальных материалов для искусственного хряща». Журнал исследований биомедицинских материалов. Часть а . 81 (2): 373–380. doi : 10.1002/jbm.a.31043 . PMID 17117467 .
^ Acevedo Rua L, Mumme M, Manferdinni C, Darwiche S, Khalil A, Hilpert M, et al. (Сентябрь 2021 г.). «Инженерный носовый хрящ для восстановления остеоартритных дефектов хряща коленного сустава» Научная трансляционная медицина 13 (609): EAZ4 Doi : /sctra 10.1126 34516821PMID S2CID 219665327
Arc.Ask3.Ru Номер скриншота №: 4b47c0a013276ae2df7e7d3520b33360__1717322280 URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/4b/60/4b47c0a013276ae2df7e7d3520b33360.html Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1: Artificial cartilage - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)
