מדענים מאוניברסיטת נורת'ווסטרן פיתחו חומר ביו-אקטיבי חדש ששיקם בהצלחה סחוס איכותי במפרקי הברכיים של דגם בעל חיים גדול.
למרות שזה נראה כמו גומי גומי, החומר הוא למעשה רשת מורכבת של רכיבים מולקולריים, הפועלים יחד כדי לחקות את הסביבה הטבעית של הסחוס בגוף.
במחקר החדש יישמו החוקרים את החומר על סחוס פגום במפרקי הברכיים של החיות. בתוך שישה חודשים בלבד, החוקרים צפו עדויות לתיקון משופר, כולל צמיחת סחוס חדש המכיל את הביופולימרים הטבעיים (קולגן II ופרוטאוגליקנים), המאפשרים חוסן מכני ללא כאבים במפרקים.
עם יותר עבודה, החוקרים אומרים שהחומר החדש עשוי לשמש ביום מן הימים כדי למנוע ניתוחים מלאים להחלפת ברך, לטפל במחלות ניווניות כמו דלקת מפרקים ניוונית ולתקן פציעות ספורט כמו קרעים ב-ACL.
המחקר יפורסם במהלך השבוע של 5 באוגוסט בכתב העת Proceedings of the National Academy of Sciences.
"הסחוס הוא מרכיב קריטי במפרקים שלנו", אמר סמואל אי. סטאפ, מנורת'ווסטרן, שהוביל את המחקר. "כאשר הסחוס ניזוק או מתפרק עם הזמן, זה יכול להשפיע רבות על הבריאות הכללית והתנועתיות של אנשים. הבעיה היא שבבני אדם בוגרים, לסחוס אין יכולת טבועה להחלים. הטיפול החדש שלנו יכול לגרום לתיקון בבני אדם בוגרים. רקמה שאינה מתחדשת באופן טבעי, אנו חושבים שהטיפול שלנו יכול לעזור לתת מענה לצורך קליני רציני.
חלוצה של ננו-רפואה רגנרטיבית, סטאפ הוא מועצת הנאמנים פרופסור למדע והנדסת חומרים, כימיה, רפואה והנדסה ביו-רפואית ב-Northwestern, שם הוא המנהל המייסד של מכון סימפסון קווירי לביו-ננוטכנולוגיה והמרכז המסונף אליו, המרכז לננו-רפואה רגנרטיבית. לסטאפ יש מינויים בבית הספר להנדסה מקורמיק, מכללת ויינברג לאמנויות ומדעים ובבית הספר לרפואה של פיינברג. ג'ייקוב לואיס, לשעבר Ph.D. סטודנט במעבדה של סטאפ, הוא המחבר הראשון של העיתון.
מה יש בחומר?
המחקר החדש מגיע בעקבות עבודה שפורסמה לאחרונה ממעבדת Stupp, שבה הצוות השתמש ב"מולקולות רוקדות" כדי להפעיל תאי סחוס אנושיים כדי להגביר את ייצור החלבונים הבונים את מטריצת הרקמה. במקום להשתמש במולקולות רוקדות, המחקר החדש מעריך חומר ביולוגי היברידי שפותח גם במעבדה של סטאפ. החומר הביולוגי החדש מורכב משני מרכיבים: פפטיד ביו-אקטיבי הנקשר לגורם גדילה מתמר בטא-1 (TGFb-1) -; חלבון חיוני לצמיחה ותחזוקה של סחוס -; וחומצה היאלורונית שונה, פוליסכריד טבעי הקיים בסחוס ובנוזל הסינוביאלי המשמן במפרקים.
אנשים רבים מכירים את החומצה ההיאלורונית מכיוון שהיא מרכיב פופולרי במוצרי טיפוח העור. זה גם נמצא באופן טבעי ברקמות רבות בכל גוף האדם, כולל המפרקים והמוח. בחרנו בו כי הוא דומה לפולימרים הטבעיים המצויים בסחוס".
סמואל א' סטאפ, אוניברסיטת נורת'ווסטרן
הצוות של סטאפ שילב את הפפטיד הביו-אקטיבי וחלקיקי החומצה ההיאלורונית שעברו שינוי כימי כדי להניע את הארגון העצמי של סיבים ננומטריים לצרורות המחקות את הארכיטקטורה הטבעית של הסחוס. המטרה הייתה ליצור פיגום אטרקטיבי עבור התאים של הגוף עצמו כדי לחדש רקמת סחוס. באמצעות אותות ביו-אקטיביים בסיבים הננומטריים, החומר מעודד תיקון סחוס על ידי התאים, המאכלסים את הפיגום.
רלוונטי קלינית לבני אדם
כדי להעריך את יעילות החומר בקידום צמיחת סחוס, החוקרים בדקו אותו בכבשים עם פגמי סחוס במפרק החנק, מפרק מורכב בגפיים האחוריות בדומה לברך האנושית. עבודה זו בוצעה במעבדתו של מארק מרקל בבית הספר לרפואה וטרינרית באוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון.
לדברי סטאפ, בדיקה בדגם כבשים הייתה חיונית. בדומה לבני אדם, סחוס כבשים הוא עקשן וקשה להפליא להתחדש. לחנק כבשים ולברכיים אנושיים יש קווי דמיון גם בנשיאת משקל, בגודל ובעומסים מכניים.
"מחקר על מודל כבשים מנבא יותר כיצד הטיפול יעבוד בבני אדם", אמר סטאפ. "בחיות קטנות אחרות, התחדשות הסחוס מתרחשת הרבה יותר בקלות."
במחקר, החוקרים הזריקו את החומר העבה, דמוי משחה, לתוך פגמי סחוס, שם הוא הפך למטריקס גומי. לא רק שסחוס חדש צמח כדי למלא את הפגם כשהפיגום התפרק, אלא שהרקמה המתוקנת הייתה באיכות גבוהה יותר באופן עקבי בהשוואה לביקורת.
פתרון מתמשך
בעתיד, סטאפ מדמיין שניתן ליישם את החומר החדש על מפרקים במהלך ניתוחים במפרקים פתוחים או ארתרוסקופיים. סטנדרט הטיפול הנוכחי הוא ניתוח מיקרושבר, שבמהלכו המנתחים יוצרים שברים זעירים בעצם הבסיסית כדי לגרום לצמיחת סחוס חדשה.
"הבעיה העיקרית בגישת המיקרו-שבר היא שלעתים קרובות היא גורמת להיווצרות של פיברו-סחוס -; אותו סחוס באוזניים שלנו -; בניגוד לסחוס ההיאליני, שהוא זה שאנו צריכים כדי שיהיה לנו מפרקים פונקציונליים", אמר סטאפ. "על ידי חידוש הסחוס ההיאליני, הגישה שלנו צריכה להיות עמידה יותר בפני שחיקה, לתקן את בעיית הניידות הלקויה וכאבי מפרקים לטווח הארוך, תוך הימנעות מהצורך בשיקום מפרקים עם חלקי חומרה גדולים".
המחקר, "פיגום פולימרי על-מולקולרי ביו-אקטיבי וקוולנטי לתיקון סחוס במודל של כבשים", נתמך על ידי הקרן המשפחתית של מייק ומרי סו שאנון למערכות חומרים ביו-השראה וביו-אקטיביים להתחדשות שריר-שלד.
