Forskare från Northwestern University är de första att designa ett bioaktivt nanomaterial som främjar tillväxten av nytt brosk in vivo och utan användning av dyra tillväxtfaktorer. Minimalt invasiv, terapin aktiverar benmärgens stamceller och producerar naturligt brosk. Ingen konventionell terapi kan göra detta.
Resultaten kommer att publiceras online veckan den 1 februari av Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ).
"Till skillnad från ben, brosk växer inte tillbaka, och därför är kliniska strategier för att regenerera denna vävnad av stort intresse, sade Samuel I. Stupp, senior författare, Styrelse professor i kemi, Materialvetenskap och teknik, och medicin, och chef för Institutet för bionanoteknologi i medicin. Oräkneliga människor - amatöridrottare, professionella idrottare och människor vars leder just har slitit ut - lär sig detta alltför väl när de tar sina dåliga knän, axlar och armbågar till en ortoped.
Skadat brosk kan leda till ledvärk och förlust av fysisk funktion och så småningom till artros, en störning med en uppskattad ekonomisk påverkan som närmar sig 65 miljarder dollar i USA. Med en åldrande och allt aktivare befolkning, denna siffra förväntas växa.
"Brosk regenereras inte hos vuxna. När du väl är fullvuxen har du allt brosk du någonsin kommer att ha, " sa första författaren Ramille N. Shah, biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid McCormick School of Engineering and Applied Science och biträdande professor i ortopedisk kirurgi vid Feinberg School of Medicine. Shah är också en bosatt fakultetsmedlem vid Institutet för BioNanotechnology in Medicine.
Typ II kollagen är huvudproteinet i ledbrosk, den släta, vit bindväv som täcker benändarna där de går samman för att bilda leder.
"Vårt material av nanoskopiska fibrer stimulerar stamceller i benmärgen att producera brosk som innehåller kollagen av typ II och reparera den skadade leden, "Sa Shah." Ett förfarande som kallas mikrofraktur är den vanligaste tekniken som för närvarande används av läkare, men det tenderar att producera ett brosk med övervägande typ I kollagen som är mer som ärrvävnad."
Northwestern gelen injiceras som en vätska till området av den skadade leden, där den sedan självmonterar och bildar ett fast ämne. Denna extracellulära matris, som efterliknar det som celler vanligtvis ser, binder genom molekylär design en av de viktigaste tillväxtfaktorerna för reparation och regenerering av brosk. Genom att hålla tillväxtfaktorn koncentrerad och lokaliserad, broskcellerna har möjlighet att regenerera.
Tillsammans med Nirav A. Shah, en ortopedisk idrottsmedicinsk kirurg och tidigare ortopedbo på Northwestern, forskarna implanterade sin nanofibergel i en djurmodell med broskdefekter.
Djuren behandlades med mikrofraktur, där små hål görs i benet under det skadade brosket för att skapa en ny blodtillförsel för att stimulera tillväxten av nytt brosk. Forskarna testade olika kombinationer:enbart mikrofraktur; mikrofraktur och nanofibergelen med tillsatt tillväxtfaktor; och mikrofraktur och nanofibergelen utan tillsatt tillväxtfaktor.
De fann att deras teknik gav mycket bättre resultat än enbart mikrofrakturproceduren och, mer viktigt, fann att tillägg av den dyra tillväxtfaktorn inte krävdes för att få bästa resultat. Istället, på grund av gelmaterialets molekylära design, tillväxtfaktor som redan finns i kroppen är tillräckligt för att regenerera brosk.
Matrisen behövde bara vara närvarande i en månad för att producera brosktillväxt. Matrisen, baserad på självmonterande molekyler som kallas peptidamfifiler, bryts ned till näringsämnen och ersätts av naturligt brosk.
