По словам группы биоинженеров Пенсильванского университета, материал на основе натурального продукта из костей и цитрусовых, называемого цитратом, обеспечивает дополнительную энергию, необходимую стволовым клеткам для формирования новой костной ткани. Их новое понимание механизма, который позволяет цитрату способствовать регенерации костей, поможет исследователям разработать биоразлагаемые, высвобождающие цитрат каркасы с медленным высвобождением, которые действуют как шаблоны для роста костей и ускоряют заживление в организме.
"В нашей лаборатории мы работаем с цитратом более десяти лет," сказал Цзянь Ян, профессор биомедицинской инженерии, Penn State. "Мы знали, что в организме человека 90 процентов органического цитрата находится в тканях скелета. Но никто на самом деле не пытался использовать цитрат в качестве строительного блока для изготовления костных биоматериалов. В нашей новой статье делается попытка понять, как цитрат помогает в заживлении костей, и используется это понимание для разработки новых биомиметических биоматериалов для лучшего восстановления костей."
Статья команды публикуется сегодня (ноябрь. 26) в трудах Национальной академии наук.
Аутотрансплантация – взятие кости из другой части тела пациента и пересадка ее к ране – это метод, наиболее часто используемый для регенерации кости в условиях больницы. Это не всегда подходящий метод, особенно в случае больших ран или костной ткани, удаленной во время лечения рака.
Синтетические биоматериалы были бы желанной заменой, и многие лаборатории работают над их разработкой. Но современные синтетические материалы вызывают значительное воспаление, скорость заживления костей медленная, а качество заживления низкое. Тело покрывает имплантат фиброзными тканями, которые препятствуют интеграции имплантата с окружающей костью. С материалом Янга исследователи не видят инкапсуляции, а хроническое воспаление минимально.
Чуин Ма, докторант лаборатории Янга, является ведущим автором статьи. Ма поставили задачу раскрыть малоизвестный механизм, лежащий в основе использования цитрата организмом для регенерации костей. Она обнаружила, что мембрана стволовых клеток имеет транспортер, который используется для транспортировки цитрата в клетку для повышения уровня клеточной энергии. Когда костные стволовые клетки дифференцируются для образования новых костных клеток, им требуется больше энергии в качестве поддержки для активного формирования костной ткани. Время и дозировка подачи цитрата в стволовые клетки также имеют решающее значение. Янг и Ма придумали недавно идентифицированный эффект цитрата на дифференцировку стволовых клеток как "метабонегенная регуляция" в газете.
Команда также определила второй фактор, участвующий в производстве энергии, аминокислоту под названием фосфосерин. С их новым пониманием механизма возобновления роста костей они разработали биоматериал, включающий цитрат и фосфосерин, и протестировали его на моделях крыс.
"Используя наш новый материал, мы видим раннее отложение новой кости через месяц," Ма сказал. "Это намного раньше, чем биоматериалы, широко используемые в устройствах, одобренных FDA. В этом исследовании мы протестировали две модели: мыщелок бедренной кости и дефекты кости черепа."
По словам Ма, на обеих моделях животных мы видим, что новый биоматериал лучше, чем коммерческие материалы, в индукции раннего образования кости, а также в ускорении созревания костей. "Для меня это важный вывод," – сказал Ян, преподаватель Института материаловедения Пенсильванского университета и Института естественных наук им. Гака. "Цитрат теперь признан центральным связующим звеном между метаболизмом и дифференцировкой стволовых клеток. Мы раскрываем механизм, посредством которого цитрат влияет на активность стволовых клеток не только в костях, но и косвенно распространяется на другие типы клеток и тканей. Например, в спинномозговой жидкости, окружающей мозг, высокая концентрация цитрата. Теперь люди могут использовать это понимание, чтобы начать рассматривать цитрат как регулятор метаболизма для дальнейшего регулирования стволовых клеток для других типов тканей и органов по всему телу."