Det har inte funnits en guldstandard för hur ortopediska ryggradskirurger främjar ny bentillväxt hos patienter, men nu har Northwestern University forskare utformat ett bioaktivt nanomaterial som är så bra på att stimulera benregenerering att det kan bli den metod kirurger föredrar.
Medan de studerades i en djurmodell av spinal fusion, metoden för att främja ny bentillväxt skulle lätt kunna översättas till människor, säger forskarna, där en åldrande men aktiv befolkning i USA alltmer får denna operation för att behandla smärta på grund av diskdegeneration, trauma och andra ryggproblem. Många andra procedurer skulle kunna dra nytta av nanomaterialet, allt från reparation av skeletttrauma till behandling av skelettcancer till bentillväxt för tandimplantat.
"Regenerativ medicin kan förbättra livskvaliteten genom att erbjuda mindre invasiva och mer framgångsrika metoder för att främja bentillväxt, sade Samuel I. Stupp, som utvecklade det nya nanomaterialet. "Vår metod är mycket flexibel och kan anpassas för regenerering av andra vävnader, inklusive muskler, senor och brosk."
Stupp är chef för Northwesterns Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology och styrelsens professor i materialvetenskap och teknik, Kemi, Medicin och biomedicinsk teknik.
För den tvärvetenskapliga studien, Stupp samarbetade med Dr. Wellington K. Hsu, docent i ortopedisk kirurgi, och Erin L.K. Hsu, forskningsassistent i ortopedisk kirurgi, båda vid Northwestern University Feinberg School of Medicine. Man-och-hustru-teamet arbetar för att förbättra kliniskt använda metoder för benregenerering.
Sockermolekyler på ytan av nanomaterialet ger dess regenerativa kraft. Forskarna studerade in vivo effekten av det "sockerbelagda" nanomaterialet på aktiviteten hos en kliniskt använd tillväxtfaktor, kallas benmorfogenetiskt protein 2 (BMP-2). De fann att mängden protein som behövs för en framgångsrik spinal fusion reducerades till en aldrig tidigare skådad nivå:100 gånger mindre av BMP-2 behövdes. Det här är mycket goda nyheter, eftersom tillväxtfaktorn är känd för att orsaka farliga biverkningar när den används i de mängder som krävs för att regenerera högkvalitativt ben, och det är dyrt också.
Resultaten publicerades idag (19 juni) i tidskriften Naturens nanoteknik .
Stupps biologiskt nedbrytbara nanomaterial fungerar som en artificiell extracellulär matris, som efterliknar vad celler i kroppen vanligtvis interagerar med i sin omgivning. BMP-2 aktiverar vissa typer av stamceller och signalerar att de blir benceller. Den nordvästra matrisen, som består av små nanoskala filament, binder proteinet genom molekylär design på det sätt som naturliga sockerarter binder det i våra kroppar och släpper sedan långsamt ut det när det behövs, istället för i en tidig skur, som kan bidra till biverkningar.
För att skapa nanostrukturerna, forskargruppen ledd av Stupp syntetiserade en specifik typ av socker som mycket liknar de som används av naturen för att aktivera BMP-2 när cellsignalering är nödvändig för bentillväxt. Snabbt rörliga flexibla sockermolekyler som visas på ytan av nanostrukturerna "griper" proteinet på en specifik plats som är exakt samma som används i biologiska system när det är dags att distribuera signalen. Detta förstärker de benväxande signalerna till en överraskande nivå som överträffar även de naturligt förekommande sockerpolymererna i våra kroppar.
I naturen, sockerpolymererna är kända som sulfaterade polysackarider, som har superkomplexa strukturer som är omöjliga att syntetisera för närvarande med kemiska tekniker. Hundratals proteiner i biologiska system är kända för att ha specifika domäner för att binda dessa sockerpolymerer för att aktivera signaler. Sådana proteiner inkluderar de som är involverade i tillväxten av blodkärl, cellrekrytering och cellproliferation, alla mycket viktiga biologiskt i vävnadsregenerering. Därför, tillvägagångssättet för Stupp -teamet kan utvidgas till andra regenererande mål.
Spinal fusion är ett vanligt kirurgiskt ingrepp som förenar intilliggande kota med hjälp av ett bentransplantat och tillväxtfaktorer för att främja ny bentillväxt, som stabiliserar ryggraden. Benet som används i transplantatet kan komma från patientens bäcken – en invasiv procedur – eller från en benbank.
"Det finns ett verkligt behov av en kliniskt effektiv, säkert och kostnadseffektivt sätt att bilda ben, " sa Wellington Hsu, en ryggradskirurg. "Framgången med detta nanomaterial gör mig glad över att varje ryggradskirurg en dag kan prenumerera på denna metod för bentransplantation. Just nu, om du frågar en publik av ryggradskirurger, du får 15 till 20 olika svar på vad de använder för bentransplantat. Vi måste standardisera valet och förbättra patienternas resultat."
I in vivo-delen av studien, nanomaterialet levererades till ryggraden med hjälp av en kollagensvamp. Detta är hur kirurger för närvarande levererar BMP-2 kliniskt för att främja bentillväxt.
Forskargruppen i Northwestern planerar att söka godkännande från Food and Drug Administration för att lansera en klinisk prövning som studerar nanomaterialet för benregenerering hos människor.
"Vi kirurger letar efter optimala bärare för tillväxtfaktorer och celler, Wellington Hsu sa. "Med sina många bindningsställen, de långa filamenten i detta nya nanomaterial är mer framgångsrika än befintliga bärare när det gäller att frigöra tillväxtfaktorn när kroppen är redo. Timing är avgörande för framgång i benregenerering."
I det nya nanomaterialet, sockret visas i en ställning byggd av självmonterande molekyler som kallas peptidamfifiler, utvecklades först av Stupp för 15 år sedan. Dessa syntetiska molekyler har varit avgörande i hans arbete med regenerativ medicin.
"Vi fokuserade på benregenerering för att demonstrera kraften i sockernanostrukturen för att ge en stor signalboost, "Stupp sa." Med små designändringar, metoden skulle kunna användas med andra tillväxtfaktorer för regenerering av alla typer av vävnader. En dag kanske vi helt kan avskaffa användningen av tillväxtfaktorer gjorda av rekombinant bioteknik och istället stärka de naturliga i våra kroppar."
Papperet har titeln "Sulfated Glycopeptide Nanostructures for Multipotent Protein Activation."
