Исследователи из Университета Пенсильвании (Penn State) разработали инновационный биоразлагаемый имплант, который значительно ускоряет процесс регенерации костной ткани после сложных переломов. Разработка получила название CitraBoneQMg.
При стандартных переломах кости обычно срастаются самостоятельно при фиксации гипсом. Однако в случае серьезных или сложных повреждений часто требуется хирургическое вмешательство с установкой специальных имплантов-каркасов (скаффолдов) или металлических конструкций. Новая разработка американских ученых призвана сделать этот процесс более эффективным и естественным.
Имплант CitraBoneQMg представляет собой каркас, созданный на основе лимонной кислоты, с добавлением магния и глутамина. Эти два вещества в небольших количествах естественным образом присутствуют в организме человека и поступают с пищей. Новаторство подхода заключается в синергетическом эффекте, который возникает при сочетании этих компонентов.
«Мы выяснили, что эти молекулы работают вместе, способствуя росту кости за счет усиления внутриклеточного энергетического метаболизма», — пояснил Хуэй Сюй, докторант кафедры биомедицинской инженерии и ведущий автор исследования.
Как показало исследование, добавление магния и глутамина к традиционному импланту на основе лимонной кислоты (уже одобренному для медицинского применения) повышает уровень клеточной энергии и помогает регулировать два ключевых энергетических пути — AMPK и mTORC1. Эти пути действуют как система управления внутри клетки, балансируя использование ресурсов так, чтобы у клеток была энергия для построения новой костной ткани.
«Молекулы одновременно регулируют оба энергетических пути, что отличается от их обычного «качественного» взаимодействия, когда один ускоряется, а другой замедляется. По сути, наш каркас «заряжает» костную клетку: оба питательных вещества в синергии с лимонной кислотой дают стволовым клеткам больше энергии для роста и трансформации в костные клетки, что приводит к лучшей регенерации», — добавил Хуэй Сюй.
Эффективность импланта проверили в ходе экспериментов на лабораторных крысах с дефектами костей черепа. Грызунам установили три типа имплантов: новый CitraBoneQMg, каркас только на основе лимонной кислоты и традиционный костный материал.
Через 12 недель группа с имплантом CitraBoneQMg показала наилучшие результаты: рост костной ткани в области травмы был на 56% выше, чем у животных с имплантом из лимонной кислоты, и на 185% выше по сравнению с группой, где использовали традиционный материал.
«Эти три молекулы работают как целебный рецепт для кости, открывая новый способ мышления в области восстановления костной ткани, — отметил Су Янь, ассистент-профессор биомедицинской инженерии и соавтор работы. — Помимо быстрого роста кости, мы также наблюдали регенерацию нервов и противовоспалительный эффект в месте установки импланта, что крайне важно для долгосрочного заживления».
Важным преимуществом технологии является локальная доставка высоких концентраций необходимых веществ прямо к месту повреждения, что значительно эффективнее, чем их пероральный прием, при котором лишь малая часть питательных элементов достигает цели.
Дополнительным бонусом импланта являются его врожденные фотолюминесцентные и фотоакустические свойства. Это означает, что его можно легко визуализировать с помощью ультразвука уже после имплантации даже глубоко в тканях, что открывает возможности для последующего неинвазивного наблюдения за ходом лечения.
На разработку уже подана заявка на патент в США. В исследовании также принимали участие специалисты из отделения ортопедии и реабилитации Медицинского центра Пенсильвании. Работа проводилась при поддержке ряда научных фондов.