IMMAGINE: Lesley Chow, un assistente professore di bioingegneria e di scienza dei materiali e ingegneria presso la Lehigh University ha ricevuto un NSF Docenti all’Inizio di Carriera Programma di Sviluppo di CARRIERA), premio. Il premio sostiene il lavoro lei… visualizza di più
Credit: Ryan Hulvat for Lehigh University
Se sei in grado di camminare senza dolore, dai un grido silenzioso alla tua cartilagine.,
Ogni volta che fai un passo, questo tessuto flessibile assorbe il carico e lo trasferisce all’osso, permettendoti di muoverti liberamente. Ma a differenza dell’osso, se la cartilagine viene danneggiata by da lesioni, usura o infiammazione’t non può rigenerarsi. Nel corso del tempo, il tessuto danneggiato degrada e camminare diventa progressivamente più doloroso man mano che le ossa entrano in contatto l’una con l’altra.,
“Alla fine, svilupperai l’osteoartrite, che è la forma più comune di artrite e colpisce circa 31 milioni di americani”, afferma Lesley Chow, assistente professore di bioingegneria e scienza e ingegneria dei materiali presso il PC Rossin College of Engineering and Applied Science della Lehigh University. “E mentre ci sono alcuni interventi chirurgici, alla fine colpisci un punto in cui ti senti così tanto dolore e hai una tale perdita di mobilità che hai bisogno di una sostituzione totale del ginocchio.,”
Non esistono ancora interventi efficaci perché la cartilagine è così difficile da riprodurre sinteticamente. Qualsiasi nuovo tessuto che si forma non ha le stesse proprietà della cartilagine nativa e non si integra bene con l’osso sottostante che dovrebbe proteggere. Ma se si potesse sviluppare un biomateriale che dirigesse con successo la rigenerazione dell’intero tessuto osteocondrale (“osteo” per l’osso, “condrale” per la cartilagine), le lesioni della cartilagine potrebbero essere trattate prima e la degenerazione potrebbe essere rallentata o arrestata del tutto.,
“Se possiamo intervenire quando hai la prima lesione, questa terapia avrebbe il potenziale per comprarti 10 o più anni, o forse non avresti mai bisogno di una sostituzione del ginocchio”, dice Chow. “Questo è il sogno.”
Per Chow, è un sogno che ha ottenuto un passo più vicino alla realtà quando ha ricevuto una Facoltà Programma di sviluppo carriera precoce (CARRIERA) premio dalla National Science Foundation. Il premio sostiene il lavoro che lei e il suo team stanno facendo per sviluppare un biomateriale che promuove la rigenerazione della complessa interfaccia del tessuto osteocondrale., In particolare, affinando il loro materiale stampato in 3D per fornire i segnali esatti alle cellule che consentono la formazione di tessuto organizzato nello stesso modo come tessuto naturale.
Le borse di studio alla CARRIERA sono considerate uno dei riconoscimenti più prestigiosi conferiti dalla NSF. Essi sono assegnati ogni anno a sostegno dei membri della facoltà junior attraverso gli Stati Uniti che esemplificano il ruolo di insegnante-studiosi attraverso la ricerca eccezionale, eccellente istruzione, e l’integrazione di istruzione e ricerca. Ogni premio fornisce un supporto stabile a livello di circa $500.000 per un periodo di cinque anni.,
“Sappiamo che abbiamo cellule all’interno del nostro corpo che sono in grado di far ricrescere questi tessuti, ma cosa succede se non stiamo dando loro gli spunti giusti?”dice Chow. “Pensiamo molto ai segnali chimici e fisici che offriamo alle cellule. Quello che vorremmo poter fare, ad esempio, è cambiare la chimica del nostro biomateriale mantenendo le stesse proprietà meccaniche. Questo è molto difficile da fare perché queste proprietà sono intrinsecamente legate l’una all’altra. Il mio laboratorio ha sviluppato una piattaforma in cui possiamo cambiare questi segnali indipendentemente l’uno dall’altro.,”
Lo sforzo di rigenerare il tessuto osteocondrale tramite biomateriali non è nuovo. Ci sono innumerevoli modi i ricercatori hanno fatto, dice Chow. Ma non è chiaro esattamente come funzionano i materiali, quindi le regole di progettazione ben definite sono elusive. Ad esempio, i ricercatori non possono dire quale specifica proprietà meccanica o porosità è richiesta, o quale spunto biochimico deve essere consegnato per ottenere una specifica risposta cellulare. Chow vuole stabilire una serie di criteri di progettazione per eliminare le congetture.
Gli scaffold stampati in 3D del team hanno già dato risultati promettenti., Prima della stampa, sintetizzano peptidi-brevi segmenti di proteine-per promuovere la formazione di ossa o cartilagini. Attaccano questi peptidi ai polimeri biodegradabili ed aggiungono i coniugati risultanti del peptide-polimero ad una concentrazione desiderata durante la stampa 3D per fabbricare un materiale peptide-functionalized.
“È come una stampante a colori”, dice Chow. “Dì che vuoi stampare prima il tuo scaffold che promuove l’osso e poi vuoi passare alla promozione della cartilagine. Basta cambiare le testine della stampante. E ‘ come cambiare colore., Quindi, all’interno della stessa stampa, si finisce con un biomateriale che ha peptidi che promuovono sia l’osso che la cartilagine in un’unica impalcatura continua.”
I polimeri con cui Chow sta lavorando possono anche avere diversi pesi molecolari, il che significa che possono essere catene corte o lunghe. L’utilizzo di diversi pesi molecolari consente loro di presentare la stessa chimica (perché le catene corte e lunghe sono costituite dallo stesso polimero) ma presentano proprietà meccaniche diverse (la catena più lunga si tradurrà in un materiale più rigido).,
“La mia ipotesi sarebbe che un materiale più rigido guiderebbe le cellule a produrre ossa e un materiale più morbido guiderà le cellule a produrre cartilagine”, afferma Chow. “Le cellule possono sentire il loro ambiente e rispondono a diverse rigidità in modi diversi. Quindi quello che stiamo cercando di fare è creare materiali in cui possiamo controllare in modo indipendente queste proprietà per scoprire come le cellule rispondono a questi sottoinsiemi di materiali., Quindi cambia la chimica ma non cambia le proprietà meccaniche o l’architettura, cambia l’architettura ma non cambia le proprietà meccaniche, o cambia le proprietà meccaniche ma non cambia nient’altro.”
Il premio aiuterà Chow e il suo team a capire meglio come le cellule rispondono alla loro piattaforma in modo da poterla mettere a punto. Il loro lavoro si concentra sulla creazione del” materiale ottimale ” che suscita una risposta che produce sia tessuto osseo che cartilagineo., L’obiettivo finale, tuttavia, è duplice: un impianto biodegradabile che potrebbe essere inserito dopo l’infortunio per scongiurare o ritardare la futura degenerazione dei tessuti e il dolore debilitante, e una comprensione fondamentale che può essere tradotta in altri tipi di cellule, come le cellule della pelle, per trattamenti migliori per persone come le vittime di ustioni.
“Vogliamo che questo sia un trampolino di lancio per coloro che sono interessati ad altri sistemi tissutali”, afferma Chow, che è affiliato con Lehigh’s Institute for Functional Materials and Devices (I-FMD)., “Persone che vogliono capire meglio le proprietà di cui hanno bisogno per sviluppare nei propri materiali per rigenerare altri tessuti di interesse.”
A proposito di Lesley W. Chow
Lesley W. Chow si è unita a Lehigh dopo la sua formazione post-dottorato all’Imperial College di Londra e il dottorato di ricerca alla Northwestern University. I suoi interessi di ricerca si concentrano sulla progettazione di nuovi biomateriali per applicazioni di ingegneria tissutale e medicina rigenerativa., Basandosi sulla sua precedente esperienza con il design supramolecolare e la fabbricazione di biomateriali, il Chow Lab combina diversi materiali e tecniche di fabbricazione avanzate per generare scaffold con architetture e funzionalità organizzate spazialmente che assomigliano a tessuti biologici nativi. Chow è particolarmente interessato a utilizzare approcci di stampa 3-D e autoassemblaggio per organizzare polimeri sintetici, biopolimeri naturali e peptidi in strutture e composizioni gerarchiche., Questi scaffold servono come piattaforme per approfondire la comprensione di come l’organizzazione tissutale nativa influenza la funzione cellulare e tissutale su scale di lunghezza e migliorare la traduzione clinica dei biomateriali.
Il Chow Lab è attualmente focalizzato su approcci per migliorare la rigenerazione delle interfacce del tessuto muscolo-scheletrico, come l’interfaccia osteocondrale tra osso e cartilagine., Ricreare queste interfacce complesse rappresenta una sfida ingegneristica significativa in quanto i tessuti nativi possiedono gradienti nelle proprietà biochimiche, strutturali e meccaniche che sono fondamentali per la normale funzione biomeccanica. Il suo team sta sviluppando strategie basate su biomateriali per guidare il comportamento cellulare spaziale e la formazione dei tessuti per ingegnerizzare i tessuti che imitano queste relazioni struttura-funzione-proprietà.,
Link correlati:
- Rossin College Faculty Profile: Lesley Chow
- NSF Award Abstract: CARRIERA: Sviluppo di biomateriali spazialmente organizzati per progettare interfacce tissutali complesse
- Il Laboratorio Chow
- Istituto per materiali e dispositivi funzionali (I-FMD)