Unikátne biomateriály

Regeneračná medicína predstavuje nový prístup k liečbe poškodených tkanív a orgánov. Pri procesoch sebaobnovy sa v tomto prípade využívajú bunkové a tkanivové kultúry vrátane kmeňových buniek. Biomateriály vyvíjané v Košiciach predstavujú pre pacientov s ochorením kostí a chrupky novú nádej na vyliečenie.

Anatómia kolena, ilustrácia Marcela Pekarčíková

Začiatky regeneračnej medicíny siahajú do prvých rokov tohto storočia a v súčasnosti sa problematike venujú už stovky výskumných tímov z celého sveta. Zatiaľ sú výsledkom ich bádania implantáty, ktoré umožňujú vytvoriť v mieste defektu kĺbovej chrupky len chrupke podobné tkanivo.

Problémy s hojením

Keďže chrupkové tkanivo neobsahuje cievy ani nervové zakončenia, možnosti spontánneho hojenia defektov sú v tomto prípade obmedzené. V minulosti sa lekári a odborníci na poli regeneračnej medicíny domnievali, že chrupka sa vôbec neregeneruje. Pravdou je, že jej prirodzený regeneračný potenciál je veľmi nízky. Na porovnanie, rezné rany na koži sa hoja priemerne sedem až desať dní, pričom čas zacelenia kožnej rany zväčša nepresahuje 48 hodín. Výsledkom hojenia je kožná jazva, ktorej kvalitatívne a morfologické vlastnosti sú podobné tkanivu zdravej kože. Chirurgickým zošitím takejto rany dokážeme zvýšiť kvalitu jazvy a skrátiť aj čas hojenia. Spontánne hojenie defektu kĺbovej chrupky sa však pohybuje v časovom intervale 10 až 12 týždňov. Výsledkom hojenia je väzivová chrupka, ktorá je výrazne morfologicky i fyzikálne odlišná a menejcenná. Základnou požiadavkou a cieľom súčasných experimentov a klinických štúdií je zabezpečiť vznik čo najkvalitnejšieho regenerátu – novovytvorenej chrupky vypĺňajúcej defekt, ktorá by sa vlastnosťami čo najviac približovala hyalínnej kĺbovej chrupke. Implantácia biopolymérneho materiálu predstavuje jednu z liečebných metód sledujúcich tento cieľ.

Čo je chrupka? 

Chrupka je špecializovaným druhom väzivového tkaniva, v ktorom medzibunková hmota nadobúda pevnú konzistenciu. Táto hmota zabezpečuje chrupke pružnosť, čím môže vzdorovať mechanickému namáhaniu bez trvalej deformácie. Hlavnou funkciou chrupky je podpora mäkkých tkanív. Jej pružnosť a hladký povrch tlmia nárazy a zároveň umožňuje kostiam v kĺboch hladký, kĺzavý pohyb. Chrupka je tiež dôležitá pre vývoj a rast dlhých kostí pred  narodením jedinca a po ňom.

Biomateriál je len prechodným, ale optimálnym prostredím pre proces hojenia chrupky. V porovnaní s možnosťami spontánneho hojenia výrazne zvyšuje kvalitu regenerácie.

Chrupka sa skladá z buniek (chondrocytov – z gréckeho chondros, chrupka) a veľkého množstva medzibunkovej hmoty (matrix), obsahujúcej vlákna a základnú hmotu. Medzibunková hmota vzniká činnosťou chondrocytov umiestnených v jej dutinkách, ktoré sa nazývajú lakúny. V dôsledku rôznych funkčných nárokov sa vyvinuli tri druhy chrupiek líšiacich sa skladbou medzibunkovej hmoty:

Zloženie hyalínnej chrupky, ilustrácia Osteochondral reconstruction and grafting

Hyalínna chrupka je najbežnejšou, nachádza sa na kĺbových plochách, hrtane a priedušnici, obsahuje v základnej hmote prevažne kolagén typu II. Kolagén typu II vytvára tenké fibrily (štrukturálna jednotka celulózy), ktoré sa však nespájajú do vláken, ako je to napríklad pri kolagéne typu I, ktorý sa nachádza v kostiach či v šľachách. Viac ohybná a rozťažiteľná je elastická chrupka, obsahujúca okrem kolagénu typu II aj väčšie množstvo elastických vláken (napríklad v ušnici). Väzivová chrupka sa vyskytuje na miestach s vysokými nárokmi na mechanickú odolnosť a záťaž, napríklad v medzistavcových platničkách. Vo všetkých troch typoch chrupiek chýbajú krvné a lymfatické cievy a inervácia.

Poškodenie a liečba

Implantácia kultivovaných chondrocytov. V súčasnosti ide o bežne používanú metódu, ale jej nevýhodou je cena (asi 6 000 eur) a nevyhnutnosť dvojdobej operácie v priebehu asi dvoch mesiacov. 1. Pacientovi sa odoberie malá vzorka chrupky so subchondrálnou kosťou. 2. Vzorka sa sterilne presunie do laboratória. 3. Vzorka chrupky je enzymaticky natrávená. 4. Kultivácia chondrocytov trvá približne štyri týždne. 5. Vypestované chondrocyty sa implantujú na biomateriál niekoľko dní pred implantáciou. 6. Biomateriál s vykultivovanými bunkami sa sterilne presunie späť na miesto operačného zákroku. 7. Chirurg vloží biomateriál s bunkami do miesta defektu chrupky, pričom biomateriál je presne upravený do tvaru veľkosti defektu a pripevnený pomocou tenkej vrstvy fibrínového lepidla. Ilustrácia Sports Medicine Arthroscopy Rehabilitation Therapy & Technology, odborný preklad k ilustráciám Eva Petrovová

Traumatické defekty chrupky vo váhonosnej časti kolenného kĺbu patria k častým úrazom kolena. Tvoria približne 20 % všetkých úrazov kolena. Poväčšine ide o mladých, športovo založených pacientov. Moderná medicína hľadá také možnosti ošetrenia chrupky, ktoré predídu vzniku predčasnej artrózy. Chrupka je tkanivo, ktoré sa nevie regenerovať. Pri jej poškodení dochádza k strate ideálneho povrchu kĺbových trecích plôch a k predčasnému opotrebovaniu chrupky. Defekt chrupky sa postupne rozširuje do hĺbky i do šírky a drobné traumatické poškodenie chrupky sa postupne mení na rozsiahly defekt. Aj malé poškodenie chrupky v nosnej časti kolena (napríklad do 1 cm) je pre pacienta bolestivé. Neskôr prichádza deficit aktívnej hybnosti a to všetko vedie k postupnej degenerácii a poškodeniu i pôvodne zdravej časti chrupky nástupom degeneratívneho procesu – artrózy. Výsledkom je gonartróza – degeneratívne poškodenie chrupky kolena – generalizované na celý kĺb. Jej koncové štádium sa lieči implantáciou totálnej náhrady kolenného kĺbu – endoprotézy. Jedným z najpoužívanejších postupov na ošetrenie defektu chrupky v kolennom kĺbe je technika mikrofraktúr/mikronávrtov. No aj pri bezchybne zvládnutej operačnej technike a pri správnom dodržaní pooperačného režimu zo strany pacienta sa na povrchu defektu vytvára biomechanicky a fyzikálne menej hodnotná chrupka alebo chrupke podobné tkanivo. Teda defekt je vyplnený určitou hmotou, ktorá sa hyalínnej chrupke podobá len veľmi vzdialene. Preto aj klinické výsledky u pacientov po ošetrení defektu chrupky pomocou mikronávrtov/mikrofraktúr sú rôznorodé a poväčšine táto technika nevedie k požadovanému zlepšeniu klinických hodnotení.

Biopolymérne kompozity 

Biopolyméry a ich kompozity sa využívajú v lekárskej praxi na rôznorodé aplikácie od jednoduchých nití, preparátov na ošetrovanie otvorených rán na koži až po komplikovanejšie systémy slúžiace na regeneráciu a rekonštrukciu mäkkých tkanív. Najčastejšie sa používajú prírodné biopolyméry rastlinného, živočíšneho alebo bakteriálneho pôvodu a tiež syntetické biopolyméry. Významné využitie našli biopolymérne materiály pri rekonštrukcii kĺbových chrupiek. Biomateriály musia po implantácii zaistiť ďalšie vlastnosti (mechanickú citlivosť a odozvu pre deliace sa chondrocyty, umožniť agregáciu a množenie buniek potrebných na tvorbu novej chrupky, zabezpečiť dostatočnú priľnavosť a neskoršiu úplnú integráciu do okolitého pôvodného tkaniva). Do popredia sa dostávajú aj hydrogély a ich kompozity pripravované pomocou 3D tlače.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 04/2018.

Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.

R

Komentáre