Er is geen gouden standaard voor hoe orthopedische wervelkolomchirurgen nieuwe botgroei bij patiënten bevorderen. maar nu hebben wetenschappers van de Northwestern University een bioactief nanomateriaal ontworpen dat zo goed is in het stimuleren van botregeneratie dat het de methode zou kunnen worden die chirurgen verkiezen.

Terwijl bestudeerd in een diermodel van spinale fusie, de methode voor het bevorderen van de groei van nieuw bot zou gemakkelijk kunnen worden vertaald naar mensen, zeggen de onderzoekers, waar een ouder wordende maar actieve bevolking in de VS steeds vaker deze operatie krijgt om pijn als gevolg van schijfdegeneratie te behandelen, trauma en andere rugklachten. Veel andere procedures zouden baat kunnen hebben bij het nanomateriaal, variërend van herstel van bottrauma tot behandeling van botkanker tot botgroei voor tandheelkundige implantaten.

"Regeneratieve geneeskunde kan de kwaliteit van leven verbeteren door minder invasieve en meer succesvolle benaderingen te bieden om botgroei te bevorderen, " zei Samuel I. Stupp, die het nieuwe nanomateriaal heeft ontwikkeld. "Onze methode is zeer flexibel en kan worden aangepast voor de regeneratie van andere weefsels, inclusief spieren, pezen en kraakbeen."

Stupp is directeur van Northwestern's Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology en de Board of Trustees Professor of Materials Science and Engineering, Scheikunde, Geneeskunde en Biomedische Technologie.

Voor het interdisciplinaire onderzoek Stupp werkte samen met Dr. Wellington K. Hsu, universitair hoofddocent orthopedische chirurgie, en Erin L.K. Hsu, wetenschappelijk assistent-hoogleraar orthopedische chirurgie, beide aan de Northwestern University Feinberg School of Medicine. Het man-en-vrouw-team werkt aan het verbeteren van klinisch toegepaste methoden voor botregeneratie.

Suikermoleculen op het oppervlak van het nanomateriaal zorgen voor zijn regeneratieve kracht. De onderzoekers bestudeerden in vivo het effect van het "met suiker omhulde" nanomateriaal op de activiteit van een klinisch gebruikte groeifactor, botmorfogenetisch eiwit 2 (BMP-2) genoemd. Ze ontdekten dat de hoeveelheid eiwit die nodig was voor een succesvolle spinale fusie tot een ongekend niveau was teruggebracht:100 keer minder BMP-2 was nodig. Dit is heel goed nieuws, omdat bekend is dat de groeifactor gevaarlijke bijwerkingen veroorzaakt wanneer het wordt gebruikt in de hoeveelheden die nodig zijn om bot van hoge kwaliteit te regenereren, en het is ook duur.

De bevindingen zijn vandaag (19 juni) gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Stupp's biologisch afbreekbare nanomateriaal functioneert als een kunstmatige extracellulaire matrix, die nabootst waar cellen in het lichaam gewoonlijk mee omgaan in hun omgeving. BMP-2 activeert bepaalde soorten stamcellen en geeft ze het signaal om botcellen te worden. De noordwestelijke matrix, die bestaat uit minuscule filamenten op nanoschaal, bindt het eiwit door moleculair ontwerp op de manier waarop natuurlijke suikers het in ons lichaam binden en laat het dan langzaam vrij wanneer dat nodig is, in plaats van in één vroege uitbarsting, die kunnen bijdragen aan bijwerkingen.

Om de nanostructuren te maken, het onderzoeksteam onder leiding van Stupp synthetiseerde een specifiek type suiker dat sterk lijkt op die welke door de natuur worden gebruikt om BMP-2 te activeren wanneer celsignalering nodig is voor botgroei. Snel bewegende flexibele suikermoleculen die op het oppervlak van de nanostructuren worden weergegeven, "grijpen" het eiwit op een specifieke plek die precies dezelfde is als die in biologische systemen wordt gebruikt wanneer het tijd is om het signaal in te zetten. Dit versterkt de botgroeisignalen tot een verrassend niveau dat zelfs de natuurlijk voorkomende suikerpolymeren in ons lichaam overtreft.

In de natuur, de suikerpolymeren staan ​​bekend als gesulfateerde polysachariden, die supercomplexe structuren hebben die op dit moment onmogelijk te synthetiseren zijn met chemische technieken. Van honderden eiwitten in biologische systemen is bekend dat ze specifieke domeinen hebben om aan deze suikerpolymeren te binden om signalen te activeren. Dergelijke eiwitten zijn onder meer die welke betrokken zijn bij de groei van bloedvaten, celrekrutering en celproliferatie, allemaal heel belangrijk biologisch bij weefselregeneratie. Daarom, de aanpak van het Stupp-team zou kunnen worden uitgebreid naar andere regeneratieve doelen.

Spinale fusie is een veel voorkomende chirurgische procedure die aangrenzende wervels samenvoegt met behulp van een bottransplantaat en groeifactoren om nieuwe botgroei te bevorderen, die de wervelkolom stabiliseert. Het bot dat in het transplantaat wordt gebruikt, kan afkomstig zijn van het bekken van de patiënt - een invasieve procedure - of van een botbank.

"Er is een reële behoefte aan een klinisch effectieve, veilige en kosteneffectieve manier om bot te vormen, " zei Wellington Hsu, een wervelkolomchirurg. "Het succes van dit nanomateriaal maakt me enthousiast dat elke wervelkolomchirurg zich ooit zal abonneren op deze methode voor bottransplantaat. Op dit moment, als je een publiek van wervelkolomchirurgen peilt, u krijgt 15 tot 20 verschillende antwoorden over wat ze gebruiken voor bottransplantaat. We moeten de keuze standaardiseren en de patiëntresultaten verbeteren."

In het in vivo gedeelte van de studie, het nanomateriaal werd met behulp van een collageenspons aan de wervelkolom afgeleverd. Dit is de manier waarop chirurgen momenteel BMP-2 klinisch toedienen om botgroei te bevorderen.

Het Northwestern-onderzoeksteam is van plan goedkeuring te vragen aan de Food and Drug Administration om een ​​klinische proef te starten waarin het nanomateriaal voor botregeneratie bij mensen wordt bestudeerd.

"Wij chirurgen zijn op zoek naar optimale dragers voor groeifactoren en cellen, Wellington Hsu zei. "Met zijn talrijke bindingsplaatsen, de lange filamenten van dit nieuwe nanomateriaal zijn succesvoller dan bestaande dragers in het vrijgeven van de groeifactor wanneer het lichaam er klaar voor is. Timing is cruciaal voor succes bij botregeneratie."

In het nieuwe nanomateriaal de suikers worden weergegeven in een steiger die is opgebouwd uit zelfassemblerende moleculen die bekend staan ​​​​als peptide-amfifielen, voor het eerst ontwikkeld door Stupp 15 jaar geleden. Deze synthetische moleculen zijn essentieel geweest in zijn werk aan regeneratieve geneeskunde.

"We hebben ons gericht op botregeneratie om de kracht van de suikernanostructuur te demonstreren om een ​​grote signaalversterking te geven, "Zei Stupp. "Met kleine ontwerpwijzigingen, de methode zou kunnen worden gebruikt met andere groeifactoren voor de regeneratie van allerlei soorten weefsels. Op een dag zullen we misschien in staat zijn om het gebruik van groeifactoren gemaakt door recombinante biotechnologie volledig af te schaffen en in plaats daarvan de natuurlijke in ons lichaam te versterken."

Het artikel is getiteld "Sulfated Glycopeptide Nanostructures for Multipotent Protein Activation."