Ein besserer Weg zum Wiederaufbau von Knorpeln

Wenn Sie in der Lage sind, ohne Schmerzen zu gehen, geben Sie einen stillen Schrei zu Ihrem Knorpel.,

Jedes Mal, wenn Sie einen Schritt machen, absorbiert dieses flexible Gewebe die Last und überträgt sie auf den Knochen, so dass Sie sich frei bewegen können. Aber im Gegensatz zu Knochen kann sich der Knorpel nicht regenerieren, wenn er beschädigt wird-durch Verletzungen, Verschleiß oder Entzündungen. Mit der Zeit verschlechtert sich das beschädigte Gewebe und das Gehen wird zunehmend schmerzhafter, wenn die Knochen miteinander in Kontakt kommen.,

„Irgendwann entwickeln Sie Arthrose, die die häufigste Form von Arthritis ist und etwa 31 Millionen Amerikaner betrifft“, sagt Lesley Chow, Assistenzprofessor für Bioengineering und Materialwissenschaften und Ingenieurwesen am PC Rossin College of Engineering and Applied Science der Lehigh University. „Und während es einige chirurgische Eingriffe gibt, treffen Sie schließlich einen Punkt, an dem Sie so große Schmerzen haben und einen solchen Mobilitätsverlust haben, dass Sie einen vollständigen Knieersatz benötigen.,“

Wirksame Eingriffe gibt es noch nicht, weil Knorpel so schwer synthetisch reproduzierbar ist. Jedes neue Gewebe, das sich bildet, hat nicht die gleichen Eigenschaften wie nativer Knorpel und lässt sich nicht gut in den darunter liegenden Knochen integrieren, den es schützen soll. Wenn jedoch ein Biomaterial entwickelt werden könnte, das erfolgreich die Regeneration des gesamten osteochondralen Gewebes („Osteo“ für Knochen, „Chondral“ für Knorpel) steuert, könnten Knorpelverletzungen früher behandelt und die Degeneration verlangsamt oder ganz gestoppt werden.,

„Wenn wir eingreifen können, wenn Sie diese Verletzung zum ersten Mal haben, hätte diese Therapie das Potenzial, Sie 10 oder mehr Jahre zu kaufen, oder Sie würden vielleicht nie einen Knieersatz benötigen“, sagt Chow. „Das ist der Traum.“

Für Chow ist es ein Traum, der der Realität einen Schritt näher kam, als sie von der National Science Foundation einen Preis für das Early Career Development Program (KARRIERE) der Fakultät erhielt. Die Auszeichnung unterstützt die Arbeit, die sie und ihr Team an der Entwicklung eines Biomaterials leisten, das die Regeneration der komplexen osteochondralen Gewebeschleife fördert., Insbesondere die Verfeinerung ihres 3D-gedruckten Materials, um die genauen Signale für Zellen bereitzustellen, die die Bildung von Gewebe ermöglichen, das auf die gleiche Weise wie natürliches Gewebe organisiert ist.

Berufsstipendien gelten als eine der renommiertesten Anerkennungen des NSF. Sie werden jährlich zur Unterstützung von Junior-Fakultätsmitgliedern in den USA verliehen, die die Rolle von Lehrerwissenschaftlern durch herausragende Forschung, hervorragende Ausbildung und die Integration von Bildung und Forschung veranschaulichen. Jede Auszeichnung bietet stabile Unterstützung auf dem Niveau von etwa $500.000 für einen Zeitraum von fünf Jahren.,

“ Wir wissen, dass wir Zellen in unserem Körper haben, die in der Lage sind, diese Gewebe nachzuwachsen, aber was ist, wenn wir ihnen nicht die richtigen Hinweise geben?“sagt Chow. „Wir denken viel über die chemischen und physikalischen Hinweise nach, die wir Zellen anbieten. Wir möchten zum Beispiel die Chemie unseres Biomaterials ändern und dabei die gleiche mechanische Eigenschaft beibehalten. Dies ist sehr schwierig, da diese Eigenschaften von Natur aus miteinander verbunden sind. Mein Labor hat eine Plattform entwickelt, auf der wir diese Hinweise unabhängig voneinander ändern können.,“

Die Anstrengung, osteochondrales Gewebe über Biomaterialien zu regenerieren, ist nicht neu. Es gibt unzählige Möglichkeiten, Forscher haben es getan, sagt Chow. Aber es ist nicht genau klar, wie die Materialien funktionieren, so dass klar definierte Designregeln schwer fassbar sind. Zum Beispiel können Forscher nicht sagen, welche spezifischen mechanischen Eigenschaften oder Porosität erforderlich sind oder welche biochemischen Eigenschaften geliefert werden müssen, um eine bestimmte Zellantwort zu erreichen. Chow möchte eine Reihe von Designkriterien festlegen, um das Rätselraten zu beseitigen.

Die 3D-gedruckten Gerüste des Teams haben bereits vielversprechende Ergebnisse erbracht., Vor dem Drucken synthetisieren sie Peptide-kurze Proteinsegmente -, um entweder die Knochen-oder Knorpelbildung zu fördern. Sie heften diese Peptide an biologisch abbaubare Polymere und fügen die resultierenden Peptid-Polymer-Konjugate in einer gewünschten Konzentration während des 3D-Drucks hinzu, um ein peptidfunktionalisiertes Material herzustellen.

„Es ist wie ein Farbdrucker“, sagt Chow. „Angenommen, Sie möchten zuerst Ihr knochenförderndes Gerüst drucken und dann zu Ihrem knorpelfördernden Gerüst übergehen. Sie wechseln einfach Ihre Druckköpfe. Es ist wie Farben wechseln., Innerhalb desselben Drucks erhalten Sie also ein Biomaterial, das sowohl knochen – als auch knorpelfördernde Peptide in einem kontinuierlichen Gerüst aufweist.“

Die Polymere, mit denen Chow arbeitet, können auch unterschiedliche Molekulargewichte haben, was bedeutet, dass es sich um kurze oder lange Ketten handeln kann. Durch die Verwendung unterschiedlicher Molekulargewichte können sie dieselbe Chemie aufweisen (da die kurzen und langen Ketten aus demselben Polymer bestehen), jedoch unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen (die längere Kette führt zu einem steiferen Material).,

„Meine Hypothese wäre, dass ein steiferes Material die Zellen zur Knochenproduktion antreibt und ein weicheres Material die Zellen zur Knorpelproduktion antreibt“, sagt Chow. „Zellen können ihre Umgebung spüren und auf unterschiedliche Weise auf verschiedene Steifheiten reagieren. Wir versuchen also, Materialien herzustellen, bei denen wir diese Eigenschaften unabhängig steuern können, um herauszufinden, wie Zellen auf diese Teilmengen von Materialien reagieren., Ändern Sie also die Chemie, aber ändern Sie nicht die mechanischen Eigenschaften oder die Architektur, ändern Sie die Architektur, aber ändern Sie nicht die mechanischen Eigenschaften oder ändern Sie die mechanischen Eigenschaften, aber ändern Sie nichts anderes.“

Die Auszeichnung wird Chow und ihrem Team helfen, besser zu verstehen, wie Zellen auf ihre Plattform reagieren, damit sie sie feinabstimmen können. Ihre Arbeit konzentriert sich auf die Herstellung des „optimalen Materials“, das eine Reaktion hervorruft, die sowohl Knochen-als auch Knorpelgewebe liefert., Das ultimative Ziel ist jedoch zweifach: ein biologisch abbaubares Implantat, das nach einer Verletzung eingesetzt werden kann, um zukünftige Gewebedegeneration und schwächende Schmerzen abzuwehren oder zu verzögern, und ein grundlegendes Verständnis, das auf andere Zelltypen wie Hautzellen übertragen werden kann, um Menschen wie Verbrennungsopfer besser behandeln zu können.

„Wir möchten, dass dies ein Sprungbrett für diejenigen ist, die sich für andere Gewebesysteme interessieren“, sagt Chow, der mit Lehighs Institut für funktionelle Materialien und Geräte (I-FMD) verbunden ist., „Menschen, die die Eigenschaften, die sie in ihren eigenen Materialien entwickeln müssen, um andere Gewebe von Interesse zu regenerieren, besser verstehen wollen.“

Über Lesley W. Chow

Lesley W. Chow trat Lehigh nach Ihrer Postdoc-Zeit am Imperial College London und Promovierte an der Northwestern University. Ihre Forschungsinteressen konzentrieren sich auf das Design neuartiger Biomaterialien für Tissue Engineering und regenerative Medizin., Aufbauend auf ihren bisherigen Erfahrungen mit supramolekularem Design und Biomaterialherstellung kombiniert das Chow Lab verschiedene Materialien und fortschrittliche Fertigungstechniken, um Gerüste mit Architekturen und räumlich organisierten Funktionen zu erzeugen, die nativen biologischen Geweben ähneln. Chow ist besonders daran interessiert, 3-D-Druck-und Selbstorganisationsansätze zu verwenden, um synthetische Polymere, natürliche Biopolymere und Peptide in hierarchischen Strukturen und Zusammensetzungen zu organisieren., Diese Gerüste dienen als Plattformen, um das Verständnis darüber zu vertiefen, wie die native Gewebeorganisation die Zell-und Gewebefunktion auf verschiedenen Skalen beeinflusst und die klinische Translation von Biomaterialien verbessert.

Das Chow Lab konzentriert sich derzeit auf Ansätze zur Verbesserung der Regeneration von Muskel-Skelett-Gewebe-Grenzflächen, wie der osteochondralen Grenzfläche zwischen Knochen und Knorpel., Die Wiederherstellung dieser komplexen Grenzflächen stellt eine bedeutende technische Herausforderung dar, da einheimische Gewebe Gradienten in biochemischen, strukturellen und mechanischen Eigenschaften besitzen, die für die normale biomechanische Funktion entscheidend sind. Ihr Team entwickelt biomaterialbasierte Strategien, um das räumliche Zellverhalten und die Gewebebildung zu steuern, um Gewebe zu entwickeln, die diese Struktur-Funktion-Eigenschaft-Beziehungen nachahmen.,

weiterführende Links:

• Rossin College-Fakultät Profil: Lesley Chow
• NSF Award Abstract: KARRIERE: die Entwicklung Räumlich Organisiert Biomaterialien Engineering Komplexer Gewebe-Schnittstellen
• Der Chow-Lab
• Institut für Funktionelle Materialien und Geräte (I-FMD)