Dalam foto adalah mikrograf elektron pemindaian dari membran berpori berstruktur nano poli(asam laktat-ko-glikolat) (PLGA). Membran dilapisi dengan lapisan multilayer polielektrolit (PEM) yang melepaskan faktor pertumbuhan untuk meningkatkan perbaikan tulang. Gambar milik Nasim Hyder dan Nisarg J. Shah
Insinyur kimia dari MIT adalah singkatan dari Massachusetts Institute of Technology. Ini adalah universitas riset swasta bergengsi di Cambridge, Massachusetts yang didirikan pada tahun 1861. Ini diatur dalam lima Sekolah: arsitektur dan perencanaan; rekayasa; humaniora, seni, dan ilmu sosial; pengelolaan; dan sains. Dampak MIT mencakup banyak terobosan ilmiah dan kemajuan teknologi. Tujuan mereka menyatakan adalah untuk membuat dunia yang lebih baik melalui pendidikan, penelitian, dan inovasi.
MIT telah mengembangkan perancah jaringan berlapis yang membantu tubuh menumbuhkan tulang baru untuk memperbaiki cedera atau cacat bawaan.
Insinyur kimia MIT telah menemukan perancah jaringan implan baru yang dilapisi dengan faktor pertumbuhan tulang yang dilepaskan secara perlahan selama beberapa minggu. Ketika diterapkan pada cedera atau cacat tulang, scaffold berlapis ini menginduksi tubuh untuk dengan cepat membentuk tulang baru yang terlihat dan berperilaku seperti jaringan aslinya.
Jenis perancah berlapis ini dapat menawarkan peningkatan dramatis atas standar saat ini untuk mengobati cedera tulang, yang melibatkan pencangkokan tulang dari bagian tubuh pasien yang lain — proses yang menyakitkan yang tidak selalu mensuplai tulang yang cukup. Pasien dengan cedera tulang yang parah, seperti tentara yang terluka dalam pertempuran; orang yang menderita cacat tulang bawaan, seperti kelainan kraniomaksilofasial; dan pasien yang membutuhkan augmentasi tulang sebelum pemasangan implan gigi bisa mendapat manfaat dari perancah jaringan baru, kata para peneliti.
“Ini benar-benar masalah medis yang menantang, dan kami telah mencoba memberikan satu cara untuk mengatasi masalah itu,” kata Nisarg Shah, penerima PhD baru-baru ini dan penulis utama makalah tersebut, yang muncul dalam Proceedings of the National Academy of Sciences ini. pekan.
Paula Hammond, Profesor Teknik David H. Koch dan anggota Institut Koch MIT untuk Riset Kanker Integratif dan Departemen Teknik Kimia, adalah penulis senior makalah ini. Penulis lainnya adalah M. Nasim Hyder dan Mohiuddin Quadir, mahasiswa pascasarjana Noémie-Manuelle Dorval Courchesne, Howard Seeherman dari Restituo, Myron Nevins dari Harvard School of Dental Medicine, dan Myron Spector dari Brigham and Women’s Hospital.
Merangsang pertumbuhan tulang
Dua dari faktor pertumbuhan tulang yang paling penting adalah faktor pertumbuhan turunan trombosit (PDGF) dan protein morfogenetik tulang 2 (BMP-2). Sebagai bagian dari kaskade penyembuhan luka alami, PDGF adalah salah satu faktor pertama yang dilepaskan segera setelah cedera tulang, seperti patah tulang. Setelah PDGF muncul, faktor lain, termasuk BMP-2, membantu menciptakan lingkungan yang tepat untuk regenerasi tulang dengan merekrut sel yang dapat memproduksi tulang dan membentuk struktur pendukung, termasuk pembuluh darah.
Upaya untuk mengobati cedera tulang dengan faktor pertumbuhan ini telah terhambat oleh ketidakmampuan untuk memberikannya secara efektif dengan cara yang terkontrol. Ketika faktor pertumbuhan dalam jumlah yang sangat besar dikirim terlalu cepat, mereka dengan cepat dibersihkan dari tempat perawatan — sehingga mengurangi dampak pada perbaikan jaringan, dan juga dapat menyebabkan efek samping yang tidak diinginkan.
“Anda ingin faktor pertumbuhan dilepaskan dengan sangat lambat dan dalam jumlah nanogram atau mikrogram, bukan dalam jumlah miligram,” kata Hammond. “Anda ingin merekrut sel punca dewasa asli yang kami miliki di sumsum tulang kami untuk pergi ke lokasi cedera dan kemudian menghasilkan tulang di sekitar perancah, dan Anda ingin menghasilkan sistem vaskular yang menyertainya.”
Proses ini membutuhkan waktu, jadi idealnya faktor pertumbuhan akan dilepaskan secara perlahan selama beberapa hari atau minggu. Untuk mencapai hal ini, tim MIT menciptakan lembaran scaffold berpori yang sangat tipis yang dilapisi dengan lapisan PDGF dan BMP. Dengan menggunakan teknik yang disebut rakitan lapis demi lapis, pertama-tama mereka melapisi lembaran tersebut dengan sekitar 40 lapis BMP-2; di atasnya ada 40 lapisan PDGF lainnya. Ini memungkinkan PDGF untuk dirilis lebih cepat, bersamaan dengan rilis BMP-2 yang lebih berkelanjutan, meniru aspek penyembuhan alami.
“Ini adalah keuntungan utama untuk rekayasa jaringan tulang karena pelepasan protein pemberi sinyal harus lambat dan harus dijadwalkan,” kata Nicholas Kotov, seorang profesor teknik kimia di University of Michigan yang bukan bagian dari tim peneliti.
Lembar perancah setebal 0,1 milimeter; setelah lapisan faktor pertumbuhan diterapkan, perancah dapat dipotong dari lembaran sesuai permintaan, dan dalam ukuran yang sesuai untuk implantasi ke dalam cedera atau cacat tulang.
Perbaikan yang efektif
Para peneliti menguji perancah pada tikus dengan cacat tengkorak yang cukup besar – berdiameter 8 milimeter – yang tidak dapat sembuh dengan sendirinya. Setelah perancah ditanamkan, faktor pertumbuhan dilepaskan dengan kecepatan yang berbeda. PDGF, dilepaskan selama beberapa hari pertama setelah implantasi, membantu memulai kaskade penyembuhan luka dan memobilisasi sel prekursor yang berbeda ke lokasi luka. Sel-sel ini bertanggung jawab untuk membentuk jaringan baru, termasuk pembuluh darah, struktur pembuluh darah pendukung, dan tulang.
BMP, dilepaskan lebih lambat, kemudian menginduksi beberapa sel imatur ini menjadi osteoblas, yang menghasilkan tulang. Ketika kedua faktor pertumbuhan digunakan bersama, sel-sel ini menghasilkan lapisan tulang, segera setelah dua minggu setelah operasi, yang tidak dapat dibedakan dari tulang alami dalam penampilan dan sifat mekaniknya, kata para peneliti.
“Menggunakan kombinasi ini memungkinkan kita untuk tidak hanya mempercepat proliferasi terlebih dahulu, tetapi juga memfasilitasi peletakan beberapa jaringan vaskular, yang menyediakan rute bagi sel punca dan osteoblas prekursor serta pemain lain untuk masuk dan melakukan tugasnya. Anda berakhir dengan sistem penyembuhan yang sangat seragam, ”kata Hammond.
Keuntungan lain dari pendekatan ini adalah perancah dapat terurai secara hayati dan terurai di dalam tubuh dalam beberapa minggu. Bahan perancah, polimer yang disebut PLGA, banyak digunakan dalam perawatan medis dan dapat diatur untuk hancur pada tingkat tertentu sehingga para peneliti dapat merancangnya untuk bertahan hanya selama diperlukan.
Tim Hammond telah mengajukan paten berdasarkan pekerjaan ini dan sekarang bertujuan untuk mulai menguji sistem tersebut pada hewan yang lebih besar dengan harapan pada akhirnya dapat memindahkannya ke uji klinis.
Studi ini didanai oleh National Institutes of Health.
Publikasi : Nisarg J. Shah, dkk., “Pengiriman faktor pertumbuhan adaptif dari lapisan polielektrolit mendorong perbaikan dan rekonstruksi jaringan tulang secara sinergis,” PNAS, 2014; doi: 10.1073/pnas.1408035111
Gambar: Nasim Hyder dan Nisarg J. Shah
