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Les scientifiques conçoivent le nanomaterial bioactif qui excelle à la régénération osseuse stimulante

Il n'y a pas eu un étalon-or pour la façon dont les spécialistes en chirurgie du rachis orthopédiques introduisent la croissance osseuse neuve dans les patients, mais maintenant les scientifiques d'Université Northwestern ont conçu un nanomaterial bioactif qui est si bon à la régénération osseuse stimulante que ce pourrait aller bien aux chirurgiens de méthode préfèrent.

Tandis qu'étudié dans un modèle animal de spondylodèse, la méthode pour introduire la croissance osseuse neuve pourrait traduire promptement aux êtres humains, les chercheurs disent, où une population vieillissante mais active aux États-Unis reçoit de plus en plus cette chirurgie pour traiter la douleur due à la dégénérescence de disque, au traumatisme, et à d'autres problèmes de dos. Beaucoup d'autres procédures ont pu tirer bénéfice du nanomaterial, s'échelonnant du réglage du traumatisme d'os à la demande de règlement du cancer des os à la croissance osseuse pour les implants dentaires.

« Le médicament régénérateur peut améliorer la qualité de vie en offrant moins invasif et des approches plus couronnées de succès à introduire la croissance osseuse, » a dit Samuel I. Stupp, qui a développé le nanomaterial neuf. « Notre méthode est très flexible et pourrait être adaptée pour la régénération d'autres tissus, y compris le muscle, les tendons, et le cartilage. »

Stupp est directeur d'institut du nord-ouest de Simpson Querrey pour BioNanotechnology et du conseil de gestion le professeur des matériaux scientifique et technique, chimie, médicament et génie biomédical.

Pour l'étude interdisciplinaire, Stupp a collaboré avec M. Wellington K. Hsu, professeur agrégé de la chirurgie orthopédique, et Erin L.K. Hsu, professeur d'aide à la recherche de la chirurgie orthopédique, les deux à l'École de Médecine de Feinberg d'Université Northwestern. L'équipe de mari-et-épouse travaille pour améliorer des méthodes cliniquement utilisées de régénération osseuse.

Les molécules de sucre sur la surface du nanomaterial fournissent son pouvoir régénérateur. Les chercheurs ont étudié in vivo l'effet du nanomaterial « dragéifié » sur l'activité d'un facteur de croissance cliniquement utilisé, la protéine morphogénétique osseuse appelée 2 (BMP-2). Ils ont trouvé que la quantité de protéine requise pour une spondylodèse couronnée de succès était réduite à un niveau sans précédent : les 100 temps moins de BMP-2 était nécessaire. C'est des nouvelles très bonnes, parce que le facteur de croissance est connu pour entraîner des effets secondaires dangereux une fois utilisé dans les montants exigés pour régénérer l'os de haute qualité, et il est cher aussi bien.

Les découvertes étaient aujourd'hui publié (19 juin) en nanotechnologie de nature de tourillon.

Le nanomaterial biodégradable de Stupp fonctionne comme matrice extracellulaire artificielle, qui imite quelles cellules dans le fuselage agissent l'un sur l'autre habituellement dans leurs environs. BMP-2 active certains types de cellules souche et les signale pour aller bien à des cellules d'os. La modification du nord-ouest, qui se compose des filaments minuscules de nanoscale, grippe la protéine par modèle moléculaire de la manière que les sucres naturels la grippent dans nos fuselages et puis la relâche lentement une fois eue besoin, au lieu de dedans un paquet d'impulsions tôt, qui peut contribuer aux effets secondaires.

Pour produire les nanostructures, l'équipe de recherche aboutie par Stupp a synthétisé un type spécifique de sucre qui ressemble attentivement à ceux employés par nature pour activer BMP-2 quand la signalisation de cellules est nécessaire pour la croissance osseuse. Les molécules flexibles rapidement en mouvement de sucre manifestées sur la surface des nanostructures « saisissent » la protéine dans un endroit spécifique qui est avec précision le même utilisé dans des systèmes biologiques quand il est temps de déployer le signe. Ceci renforce les signes culture des os à un niveau étonnant qui surpasse même les polymères naturels de sucre dans nos fuselages.

En nature, les polymères de sucre sont connus en tant que polysaccharides sulfatés, qui ont les structures superbe-complexes impossibles à synthétiser à l'heure actuelle avec des techniques chimiques. Des centaines de protéines dans des systèmes biologiques sont connues pour avoir les domaines spécifiques pour gripper ces polymères de sucre afin d'activer des signes. De telles protéines comprennent ceux impliqués dans l'accroissement des vaisseaux sanguins, le recrutement de cellules et la prolifération cellulaire, tout le très important biologiquement dans la régénération de tissu. Par conséquent, l'approche de l'équipe de Stupp a pu être étendue à d'autres objectifs régénérateurs.

La spondylodèse est une opération courante qui joint la vertèbre adjacente ensemble utilisant un greffon osseux et des facteurs de croissance pour introduire la croissance osseuse neuve, qui stabilise la colonne vertébrale. L'os utilisé dans la greffe peut venir du bassin du patient -- une chirurgie invasive -- ou d'un côté d'os.

« Il y a un besoin réel cliniquement d'efficace, voie sûre et rentable de former l'os, » a dit Wellington Hsu, un spécialiste en chirurgie du rachis. « La réussite de ce nanomaterial m'effectue a excité que chaque spécialiste en chirurgie du rachis peut un jour souscrire à cette méthode pour le greffon osseux. En ce moment, si vous votez un public des spécialistes en chirurgie du rachis, vous obtiendrez 15 à 20 réponses différentes sur ce qu'elles emploient pour le greffon osseux. Nous devons normaliser le choix et améliorer des résultats patients. »

Dans in vivo la partie de l'étude, le nanomaterial a été livré à la colonne vertébrale utilisant une éponge de collagène. C'est la voie que les chirurgiens livrent actuel BMP-2 cliniquement pour introduire la croissance osseuse.

L'équipe de recherche du nord-ouest planification pour demander l'approbation de Food and Drug Administration pour lancer un test clinique étudiant le nanomaterial pour la régénération osseuse chez l'homme.

« Nous des chirurgiens recherchons les transporteurs optimaux pour des facteurs de croissance et des cellules, » Wellington Hsu a indiqué. « Avec ses nombreux accepteurs, les longs filaments de ce nanomaterial neuf est plus couronné de succès que les transporteurs existants en relâchant le facteur de croissance quand le fuselage est prêt. Le calage est critique pour la réussite dans la régénération osseuse. »

Dans le nanomaterial neuf, les sucres sont manifestés dans un échafaudage établi des molécules de auto-montage connues sous le nom d'amphiphiles de peptide, d'abord développés par Stupp il y a 15 ans. Ces molécules synthétiques ont été essentielles dans son travail sur le médicament régénérateur.

« Nous nous sommes concentrés sur la régénération osseuse pour expliquer le pouvoir du nanostructure de sucre de fournir une grande poussée de signalisation, » Stupp a dit. « Avec de petites modifications de modèle, la méthode a pu être employée avec d'autres facteurs de croissance pour la régénération de toutes sortes de tissus. Un jour nous pouvons pouvoir éliminer entièrement l'utilisation des facteurs de croissance effectués par la biotechnologie recombinée et autoriser au lieu les naturels dans nos fuselages. »