Ett bättre sätt att återuppbygga brosk

om du kan gå utan smärta, ge en tyst ropa ut till ditt brosk.,

varje gång du tar ett steg absorberar denna flexibla vävnad belastningen och överför den till benet, så att du kan röra dig fritt. Men till skillnad från ben, om brosk skadas-av skada, slitage eller inflammation-kan det inte regenerera. Med tiden försämras den skadade vävnaden och gångningen blir gradvis mer smärtsam när benen kommer i kontakt med varandra.,

”så Småningom kommer du att utveckla artros, som är den vanligaste formen av ledgångsreumatism och drabbar cirka 31 miljoner Amerikaner, säger Lesley Chow, biträdande professor i bioteknik och materialteknik vid Lehigh University P. C. Rossin College of Engineering and Applied Science. ”Och medan det finns några kirurgiska ingrepp, så småningom träffar du en punkt där du är i så mycket smärta och har en sådan förlust av rörlighet att du behöver en total knäbyte.,”

effektiva ingrepp finns ännu inte eftersom brosk är så svårt att reproducera syntetiskt. Varje ny vävnad som bildas har inte samma egenskaper som inbyggt brosk och integrerar inte bra med det underliggande benet som det ska skydda. Men om ett biomaterial kan utvecklas som framgångsrikt riktade regenerering av hela osteokondral (”osteo ”för ben,” chondral ” för brosk) vävnad, kan broskskador behandlas tidigare och degeneration kan sakta ner eller stoppas helt och hållet.,

”om vi kan ingripa när du först har den skadan, skulle denna terapi ha potential att köpa dig 10 eller flera år, eller kanske du aldrig skulle behöva knäbyte”, säger Chow. ”Det är drömmen.”

För Chow är det en dröm som kom ett steg närmare verkligheten när hon fick ett fakultets tidigt karriärutvecklingsprogram (karriär) från National Science Foundation. Priset stöder arbete som hon och hennes team gör för att utveckla ett biomaterial som främjar regenerering av det komplexa osteokondrala vävnadsgränssnittet., Specifikt raffinerar deras 3D-tryckta material för att ge de exakta signalerna till celler som möjliggör bildandet av vävnad organiserad på samma sätt som naturlig vävnad.

KARRIÄRBIDRAG anses vara en av de mer prestigefyllda erkännanden som ges av NSF. De delas ut årligen till stöd för junior fakultetsmedlemmar över hela USA som exemplifierar rollen som lärare-forskare genom enastående forskning, utmärkt utbildning och integration av utbildning och forskning. Varje utmärkelse ger stabilt stöd på ungefär $500,000 för en femårsperiod.,

”vi vet att vi har celler i vår kropp som kan återväxt av dessa vävnader, men vad händer om vi inte ger dem rätt ledtrådar? säger Chow. ”Vi tänker mycket på de kemiska och fysiska ledtrådar Vi erbjuder till celler. Vad vi till exempel vill kunna göra är att ändra kemin i vårt biomaterial samtidigt som vi behåller samma mekaniska egenskap. Detta är mycket svårt att göra eftersom dessa egenskaper är i sig knutna till varandra. Mitt labb har utvecklat en plattform där vi kan ändra dessa ledtrådar oberoende av varandra.,”

ansträngningen att regenerera osteokondral vävnad via biomaterial är inte ny. Det finns otaliga sätt forskare har gjort det, säger Chow. Men det är inte klart exakt hur materialen fungerar, så väldefinierade designregler är svårfångade. Till exempel kan forskare inte säga vilken specifik mekanisk egenskap eller porositet som krävs, eller vilken biokemisk cue måste levereras för att uppnå ett specifikt cellsvar. Chow vill skapa en uppsättning designkriterier för att eliminera gissningen.

lagets 3D-tryckta ställningar har redan gett lovande resultat., Före utskrift syntetiserar de peptider — korta segment av proteiner — för att antingen främja ben-eller broskbildning. De bifogar dessa peptider till biologiskt nedbrytbara polymerer och lägger till de resulterande peptid-polymerkonjugaterna vid en önskad koncentration under 3D-utskrift för att tillverka ett peptidfunktionaliserat material.

”det är som en färgskrivare”, säger Chow. ”Säg att du vill skriva ut din benfrämjande byggnadsställning först och sedan vill du övergå till din broskfrämjande. Du byter bara skrivarhuvuden. Det är som att byta färger., Så inom samma tryck slutar du med ett biomaterial som har både ben – och broskfrämjande peptider i en kontinuerlig byggnadsställning.”

polymererna Chow arbetar med kan också ha olika molekylvikter, vilket innebär att de kan vara korta eller långa kedjor. Med hjälp av olika molekylvikter kan de presentera samma kemi (eftersom de korta och långa kedjorna är gjorda av samma polymer) men uppvisar olika mekaniska egenskaper (den längre kedjan kommer att resultera i ett styvare material).,

”min hypotes skulle vara att ett styvare material skulle driva cellerna för att producera ben och ett mjukare material kommer att driva celler för att producera brosk”, säger Chow. ”Celler kan känna sin miljö, och de svarar på olika styvheter på olika sätt. Så vad vi försöker göra är att göra material där vi självständigt kan kontrollera dessa egenskaper för att ta reda på hur celler svarar på dessa delmängder av material., Så ändra kemi men inte ändra mekaniska egenskaper eller arkitektur, ändra arkitekturen men inte ändra de mekaniska egenskaperna, eller ändra de mekaniska egenskaperna men inte ändra något annat.”

priset kommer att hjälpa Chow och hennes team bättre förstå hur celler svarar på sin plattform så att de kan finjustera den. Deras arbete fokuserar på att göra det ”optimala materialet” som framkallar ett svar som ger både ben och broskvävnad., Det slutliga målet är dock dubbelt: ett biologiskt nedbrytbart implantat som kan införas efter skada för att avvärja eller fördröja framtida vävnadsdegenerering och försvagande smärta och en grundläggande förståelse som kan översättas till andra celltyper, såsom hudceller, för bättre behandlingar för människor som brännoffer.

”vi vill att detta ska vara en språngbräda för dem som är intresserade av andra vävnadssystem”, säger Chow, som är ansluten till Lehighs institut för funktionella material och enheter (I-FMD)., ”Människor som vill bättre förstå de egenskaper de behöver utveckla i sina egna material för att regenerera andra vävnader av intresse.”

om Lesley W. Chow

Lesley W. Chow gick med i Lehigh efter hennes postdoktoral träning vid Imperial College London och PhD vid Northwestern University. Hennes forskningsintressen fokuserar på utformningen av nya biomaterial för vävnadsteknik och regenerativa medicinska tillämpningar., Chow Lab bygger på sin tidigare erfarenhet av supramolekylär design och biomaterial tillverkning, kombinerar olika material och avancerade tillverkningstekniker för att generera byggnadsställningar med arkitekturer och rumsligt organiserad funktionalitet som liknar inhemska biologiska vävnader. Chow är särskilt intresserad av att använda 3-D-tryck och självmonteringsmetoder för att organisera syntetiska polymerer, naturliga biopolymerer och peptider i hierarkiska strukturer och kompositioner., Dessa byggnadsställningar fungerar som plattformar för att fördjupa förståelsen för hur native tissue organization påverkar cell-och vävnadsfunktion över längdskalor och förbättra klinisk översättning av biomaterial.

Chow Lab är för närvarande inriktat på metoder för att förbättra regenerering av muskuloskeletala vävnadsgränssnitt, såsom det osteokondrala gränssnittet mellan ben och brosk., Att återskapa dessa komplexa gränssnitt utgör en betydande teknisk utmaning eftersom inhemska vävnader har gradienter i biokemiska, strukturella och mekaniska egenskaper som är kritiska för normal biomekaniska funktion. Hennes team utvecklar biomaterialbaserade strategier för att styra rumsligt cellbeteende och vävnadsbildning för att konstruera vävnader som efterliknar dessa struktur-funktion-egenskapsrelationer.,

Relaterade Länkar:

• Rossin College Faculty Profile: Lesley Chow
• NSF Award Abstrakt: karriär: utveckla rumsligt organiserade biomaterial för att ingenjör komplexa vävnads gränssnitt
• The Chow Lab
• Institutet för funktionella material och enheter (I-FMD)