Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Αϊόβα δημιούργησαν ένα βιολογικό επίθεμα (bio-patch) το οποίο αναγεννά οστά που λείπουν ή είναι κατεστραμμένα τοποθετώντας DNA σε ένα νανοσωματίδιο που μεταφέρει εντολές παραγωγής οστού απευθείας στα κύτταρα.
Το “κιτ αναγέννησης οστών” βασίζεται σε μια πλατφόρμα κολλαγόνου σπαρμένη με σωματίδια που περιέχουν τα γονίδια που απαιτούνται για την παραγωγή των οστών. Σε πειράματα που πραγματοποιήθηκαν, το βιολογικό επίθεμα που κωδικοποιεί τα γονίδια επέτρεψε επιτυχώς την αναγέννηση του οστού σε τέτοιο βαθμό ώστε να επουλώσει κρανιακά τραύματα σε ζώα εργαστηρίου. Επίσης, σε άλλα εργαστηριακά πειράματα, προκάλεσε εκ νέου ενισχυμένη αύξηση σε ανθρώπινα κύτταρα μυελού των οστών.
Η καινοτομία της μελέτης συνίσταται στο ότι οι ερευνητές μετέφεραν απευθείας τις εντολές οστεογένεσης σε υπάρχοντα οστικά κύτταρα in vivo (χρησιμοποιώντας ένα τεμάχιο DNA το οποίο κωδικοποιεί τον αυξητικό παράγοντα PGDF-B που προέρχεται από αιμοπετάλια), γεγονός που οδήγησε τα κύτταρα αυτά να παράγουν τις πρωτεΐνες που προκαλούν μεγαλύτερη οστεογένεση. Οι προηγούμενες προσπάθειες εστιάζονταν σε επαναλαμβανόμενες εξωγενείς εφαρμογές οι οποίες ήταν δύσκολο να αναπαραχθούν δίνοντας σταθερά αποτελέσματα ενώ ήταν πολύ περισσότερο εντατικές και δαπανηρές.
“Μεταφέραμε το DNA στα κύτταρα, έτσι ώστε να μπορούν να παράγουν την πρωτεΐνη και με αυτό τον τρόπο παράγεται η πρωτεΐνη που ενισχύει την οστική αναγέννηση”, εξηγεί ο Aliasger Salem, καθηγητής στο Κολλέγιο της Φαρμακευτικής και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Biomaterials. "Αν μεταφέρει κανείς μόνο την πρωτεΐνη, θα πρέπει να το κάνει με συνεχείς ενέσεις για να διατηρήσει τη δόση σταθερή. Με τη μέθοδό μας, μπορεί να πετύχει τοπική, παρατεταμένη έκφραση κατά τη διάρκεια μιας παρατεταμένης χρονικής περιόδου, χωρίς να χρειάζεται να χορηγήσει συνεχόμενες δόσεις της πρωτεΐνης."
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το επίθεμα έχει πολλές πιθανές χρήσεις στον τομέα της οδοντιατρικής. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αναδόμηση του οστού στην περιοχή των ούλων το οποίο χρησιμεύει ως θεμέλιο για οδοντικά εμφυτεύματα. Η προοπτική αυτή θα ήταν μία "εμπειρία ζωής» για τους ασθενείς που χρειάζονται μοσχεύματα και δεν έχουν αρκετό οστό στη γύρω περιοχή, τονίζει ο Satheesh Elangovan, επίκουρος καθηγητής στο Κολλέγιο Οδοντιατρικής του Πανεπιστημίου της Αϊόβα και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. Το επίθεμα αυτό μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την επισκευή ανωμαλιών εκ γενετής σε περιπτώσεις που υπάρχει έλλειψη οστού στην περιοχή του προσώπου ή του κεφαλιού.
“Μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα καλούπι στο πραγματικό σχήμα και μέγεθος της περιοχής που παρουσιάζει ελάττωμα και να έχουμε πλήρη αναγέννηση οστού ώστε να ταιριάζει ακριβώς με το σχήμα της δομής που θα έπρεπε να ήταν εκεί”, ισχυρίζεται ο Elangovan.
Η ομάδα ξεκίνησε με ένα καλούπι κολλαγόνου. Στη συνέχεια, οι ερευνητές πρόσθεσαν στο βιολογικό επίθεμα συνθετικά πλασμίδια, καθένα από τα οποία έφερε τις γενετικές πληροφορίες που προκαλούν οστεογένεση. Έπειτα, τοποθέτησαν το καλούπι σε μία περιοχή 5x2mm η οποία έλειπε από το κρανίο πειραματόζωων. Τέσσερις εβδομάδες μετά, η ερευνητική ομάδα συνέκρινε την αποτελεσματικότητα του βιο-επιθέματος με την αποτελεσματικότητα της τοποθέτησης ενός καλουπιού χωρίς πλασμίδια ή με τη μη τοποθέτηση καλουπιού. Το καλούπι που περιείχε πλασμίδια αύξησε κατά 44 φορές περισσότερο την παραγωγή οστού και μαλακού ιστού στην πληγείσα περιοχή από το καλούπι χωρίς πλασμίδια και 14 φορές περισσότερο από τη μη παρέμβαση στην πληγείσα περιοχή. Οι ερευνητές αναφέρουν ότι οι σαρώσεις που πραγματοποιήθηκαν έδειξαν ότι τα καλούπια που περιείχαν πλασμίδια παρήγαγαν τόσο οστό ώστε να επουλωθεί σχεδόν η πληγείσα περιοχή.
Το πλασμίδιο λειτουργεί όταν εισέρχεται σε ήδη υπάρχοντα στο σώμα οστικά κύτταρα και κυρίως σε αυτά που βρίσκονται γύρω ακριβώς από την πληγείσα περιοχή και πάνω από το καλούπι. Η ομάδα χρησιμοποίησε ένα πολυμερές ώστε να συρρικνώσει το μέγεθος του σωματιδίου (όπως π.χ. δημιουργούμε ένα αρχείο zip) και για να προσδώσει στο πλασμίδιο το θετικό ηλεκτρικό φορτίο το οποίο θα διευκόλυνε τα τοπικά οστικά κύτταρα να το απορροφήσουν. “Ο μηχανισμός μεταφοράς είναι το καλούπι που περιέχει πλασμίδια”, τονίζει ο Salem. “Όταν τα κύτταρα μετακινούνται στο καλούπι, ενώνονται με το πλασμίδιο λαμβάνοντας τις εντολές για να αρχίσουν την παραγωγή PDGF-B, ο οποίος βελτιώνει την οστική αναγέννηση.”
Οι ερευνητές επισημαίνουν επίσης ότι το σύστημα μεταφοράς τους είναι non-viral. Αυτό σημαίνει ότι το πλασμίδιο είναι λιγότερο πιθανό να προκαλέσει μία ανεπιθύμητη ανοσολογική απόκριση και είναι ευκολότερο να παραχθεί μαζικά, γεγονός που μειώνει το κόστος.
“Το πιο συναρπαστικό κομμάτι για μένα είναι ότι είμαστε σε θέση να αναπτύξουμε ένα αποτελεσματικό, nonviral γονίδιο-μεταφορέα του συστήματος για τη θεραπεία της οστικής απώλειας», λέει ο Sheetal D' Mello, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής φαρμακευτικής και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. Το επόμενο βήμα στο οποίο ελπίζουν οι Elangovan και Salem είναι η δημιουργία μίας βιο-πλατφόρμας που προωθεί την ανάπτυξη νέων αιμοφόρων αγγείων τα οποία είναι απαραίτητα για την εκτεταμένη και συνεχή ανάπτυξη των οστών.
Πηγή
Satheesh Elangovan, Sheetal R. D'Mello, Liu Hong, Ryan D. Ross, Chantal Allamargot, Deborah V. Dawson, Clark M. Stanford, Georgia K. Johnson, D. Rick Sumner, Aliasger K. Salem. The enhancement of bone regeneration by gene activated matrix encoding for platelet derived growth factor. Biomaterials, 2014; 35 (2): 737 DOI:10.1016/j.biomaterials.2013.10.021