Тринити център за биоинженерство, Институт по биомедицински науки на Тринити, Тринити Колидж Дъблин, Университетът в Дъблин, Дъблин, Ирландия

Инженерно училище, Тринити Колидж, Дъблин, Университетът в Дъблин, Дъблин, Ирландия

Център за напреднали материали и биоинженерство (AMBER), Кралски колеж на хирурзите в Ирландия и Тринити Колидж Дъблин, Дъблинският университет, Дъблин, Ирландия

Отдел по биология на клетъчната матрица и регенеративна медицина, Университет в Манчестър, Манчестър, Великобритания

NIHR Манчестър, Мускулно-скелетен отдел за биомедицински изследвания, Централен фонд на Манчестър Фондация, Манчестър Академичен здравен научен център, Манчестър, Великобритания

Leni & Peter W. May Катедра по ортопедия, Медицинско училище Icahn в планината Синай, Ню Йорк, Ню Йорк, САЩ

Катедра по ортопедична хирургия, Университет на Цукуба, Цукуба, Япония

Център за изследвания в медицинските изделия (CÚRAM), Национален университет на Ирландия, Голуей, Ирландия

Leni & Peter W. May Катедра по ортопедия, Медицинско училище Icahn в планината Синай, Ню Йорк, Ню Йорк, САЩ

AO Изследователски институт Давос, Давос, Швейцария

Кореспонденция

Д-р Сибил Град, AO Изследователски институт Давос, Clavadelerstrasse 8, 7270 Давос, Швейцария.

Тринити център за биоинженерство, Институт по биомедицински науки на Тринити, Тринити Колидж Дъблин, Университетът в Дъблин, Дъблин, Ирландия

Инженерно училище, Тринити Колидж, Дъблин, Университетът в Дъблин, Дъблин, Ирландия

Център за напреднали материали и биоинженерство (AMBER), Кралски колеж на хирурзите в Ирландия и Тринити Колидж Дъблин, Дъблинският университет, Дъблин, Ирландия

Отдел по биология на клетъчната матрица и регенеративна медицина, Университет в Манчестър, Манчестър, Великобритания

NIHR Манчестър, Мускулно-скелетен отдел за биомедицински изследвания, Централен фонд на Манчестър Фонд, Манчестър Академичен здравен научен център, Манчестър, Великобритания

Leni & Peter W. May Катедра по ортопедия, Медицинско училище Icahn в планината Синай, Ню Йорк, Ню Йорк, САЩ

Катедра по ортопедична хирургия, Университет на Цукуба, Цукуба, Япония

Център за изследвания в медицинските изделия (CÚRAM), Национален университет на Ирландия, Голуей, Ирландия

Leni & Peter W. May Катедра по ортопедия, Медицинско училище Icahn в планината Синай, Ню Йорк, Ню Йорк, САЩ

AO Изследователски институт Давос, Давос, Швейцария

Кореспонденция

Д-р Сибил Град, AO Изследователски институт Давос, Clavadelerstrasse 8, 7270 Давос, Швейцария.

Резюме

Болката в кръста представлява най-голямото бреме на мускулно-скелетните заболявания в световен мащаб и дегенерацията на междупрешленните дискове често се свързва с това болезнено състояние. Въпреки че остава трудно да се разпознаят ясно генераторите на дискогенна болка, регенерацията на тъканите е приета като ефективна възможност за лечение със значителен потенциал. Тъканното инженерство и регенеративната медицина предлагат множество изследователски пътища за функционално възстановяване или предотвратяване на разграждането на тъканите. Въпреки това, междупрешленният диск има извънредни биологични и механични изисквания, които трябва да бъдат изпълнени, за да се осигури устойчив успех. Този кратък перспективен преглед подчертава ролята на микросредата на диска, съображения за механичен и клиничен дизайн, функция срещу имитация в биоматериални и клетъчни инженерни стратегии и потенциални ограничения за клиничен превод на регенеративни терапии за междупрешленния диск.

1. ВЪВЕДЕНИЕ

предизвикателства

2 РОЛЯТА НА МИКРООКОЛОТО НА ДИСКА

Дегенерацията на IVD се случва в продължение на много години и се влияе до известна степен от генетични, екологични и физикохимични ефекти. Въпреки това, за нормалната клетъчна функция и успешната регенерация на тъканите, местната физикохимична микросреда, която се изпитва от имплантираните клетки, е от решаващо значение. Дегенерираната микросреда на човешката IVD се характеризира с променен кислород, 14 намалена глюкоза, 15, 16 повишена матрична киселинност 14 и повишени нива на възпалителни цитокини 17, като по този начин представлява предизвикателна микросреда за нормална клетъчна функция. Тъй като IVD е аваскуларен, околните кръвоносни съдове в хрущялните крайни плочи (CEP) и гръбначните тела доставят жизненоважни хранителни вещества на диска главно чрез дифузия. 16 Балансът между транспорта на хранителни вещества и клетъчната консумация установява градиент на концентрация в диска на тези хранителни вещества и метаболити, което от своя страна значително влияе върху жизнеспособността, пролиферацията и функцията на клетките и колективно несъмнено ще повлияе на степента на всяка следваща регенерация.

Доказано е, че нивата на кислород варират значително в лумбалните и гръдните дискове на човека и изглежда не корелират с възрастта, патологията или етапа на дегенерация. Концентрациите намаляват от AF в дисковата структура (19,5% -0,65%) със средни физиоксични концентрации в централната област на NP между 5% и 10%. 14 Тези профили на градиентна концентрация зависят от скоростта на транспортиране на кислород през КЕП, клетъчната плътност и нивата на консумация. Добре установено е, че жизнеспособността на клетките на NP клетките се намалява с ниско ниво на глюкоза, но не и с ниско съдържание на кислород, подчертавайки значението на глюкозата като ограничаващо хранително вещество за оцеляването на дисковите клетки. Изчислителните модели прогнозират намаляване на концентрациите на глюкоза от

5 mM на границите на диска до

0,8 mM в центъра на здрави дискове (некалцифицирани), 18 които могат да паднат под критичните нива с увеличаване на калцификацията и като функция на статичните условия на деформация. 16 Важното е, че е доказано, че клетъчната смърт настъпва, когато е била подложена на концентрация на глюкоза под 0,5 mM за повече от 3 дни 19 и в сколиотични дискове е установено, че ниската клетъчна жизнеспособност корелира с ниските концентрации на глюкоза. 20.

Друг важен фактор е рН микросредата, дължаща се на локални концентрации на млечна киселина (типичен диапазон 2-6 mM) в резултат на гликолиза. 14 Измерванията in vivo разкриват, че рН варира от 5,7 до 7,5 (медиана, 7) 21 и може значително да повлияе на оцеляването на клетките, да повлияе неблагоприятно на скоростите на синтез на матрикс 19, 22 и да увеличи експресията на провъзпалителните цитокини и свързаните с болката фактори. 23 Важното е, че скоростите на енергиен метаболизъм са нелинейно свързани реакции и зависят от местната хранителна и киселинна микросреда. 24 По същия начин от гледна точка на регенеративното лекарство или тъканното инженерство, концентрациите на кислород играят ключова роля в регулирането на фенотипа и биосинтетичната активност на клетките, предназначени за терапевтични приложения, 25 докато ниските концентрации на глюкоза и ниските нива на рН влошават оцеляването и биологичното поведение на стволовите клетки. 26-28

В допълнение, IVD се подлага на биофизични сили in vivo, като деформационно напрежение и хидростатично налягане. Налягането in vivo изглежда зависи от задачата и варира значително. Използвайки преобразуватели за микроналягане, е показано, че налягането в IVD (L4-L5 диск) варира от 0,1 MPa при легнало положение до 0,95 MPa по време на джогинг до 2,3 MPa при повдигане на 20-килограмов обект. 29 Освен това, поради наличието на отрицателно заредени протеогликани, IVD е осмотична система, за която е доказано, че е мощен регулатор на генната експресия 30 и синтеза на матрикс от IVD клетки. 31 Само поради дневни промени, осмоларността може да варира от 450 до 550 mOsm, 32 което също може да повлияе на последващия клетъчен отговор на биофизична стимулация. 33

Неотдавнашната работа също показа, че съдържанието на калций (Ca 2+) е постоянно по-високо в човешката CEP тъкан и корелира със степента на дегенерация на диска. Експериментите показват, че повишаването на нивата на Ca 2+ води до намаляване на натрупването на колагени тип I, II и протеогликан в култивирани човешки CEP клетки чрез активиране на извънклетъчни рецептори, чувствителни на калций. Предполага се, че промененият или ускорен костен обмен, вероятно поради развитие на остеопороза, може да е отговорен за тези повишения на нивата на калций, като по този начин насърчава калцирането на крайната плоча, засяга пропускливостта на тъканите 38 и възпрепятства транспортирането на хранителни вещества.

Друг важен аспект е възпалителната среда, присъстваща в дегенериралите дискове. Дали цитокините играят значителна роля в първоначалната патология или дали тяхното производство се стимулира от променената физикохимична микросреда не е напълно изяснено. Очевидно е обаче, че възпалителните каскади се потенцират при дискова болест и че множество цитокини и възпалителни молекули участват в тези процеси, които влияят на оцеляването, диференциацията и функцията на клетките. Сред тях най-голямо внимание са получили интерлевкин 1 (IL-1) и фактор на туморна некроза-алфа (TNF-α). 39

Доказателствата показват, че освобождаването на фактори от дегенериращите дискове като нервен растежен фактор (NGF), мозъчно-извлечен невротрофичен фактор (BDNF), възпалителни и ноцицептивни фактори също играят жизненоважна роля в кръстосаните разговори, отговорни за активирането и набирането на имунни клетки като както и насърчаване на нео-инервацията. 9, 40 Освен това ниското рН може да стимулира производството както на NGF, така и на BDNF 23 и е замесено в възприемането на болката. 41 Следователно възпалителните цитокини, чрез утаяването им на невротрофини, наистина могат да действат като вредно стимулиране, което сенсибилизира нервите и/или инициира нарастване на нервните влакна в дегенериралия диск, като по този начин изостря болката в гърба. 23.

В обобщение, постигнат е значителен напредък в разбирането на ролята на дисковите микросредни фактори и техния ефект върху жизнеспособността и функцията на клетките. Необходими са по-сложни и интегрирани диагностични методи, за да се идентифицират и стратифицират подходящи кохорти на пациенти, които ще се възползват от клетъчни терапии (Фигура 2). Напредъкът в методите за изобразяване за количествено определяне на местната структурна и биохимична микросреда, която подлежи на ремонтни процедури, заедно с биомаркери за проследяване на ремонта са очевидни цели, които трябва да бъдат адресирани и могат да осигурят подходяща стратегия и да подпомогнат разработването на персонализирани и ефективни лечения за дегенерация на дискове.

3 ЗНАЧЕНИЕТО НА МЕХАНИЧНАТА СЪВМЕСТИМОСТ

4 ФУНКЦИЯ СРЕД МИМИКА: БИОМАТЕРИАЛИ И КЛЕТОВО ИНЖЕНЕРИНГ

AF е многослойна структура, съставена от 70% колаген, предимно тип I, и 10% протеогликан в сухо тегло. 67 Едно от предизвикателствата на AF тъканното инженерство е постепенната трансформация на структурата и биохимията от външната AF във вътрешната AF и NP, която не може лесно да бъде възпроизведена ex vivo. Предлагат се различни биоматериали като основа за възстановяване на ПМ, включително колаген, ателоколаген, копринен фиброин, поли-млечно-ко-гликолова киселина и поли-капролактон (PCL). 7, 68 Електроспинните влакна, генерирани от PCL, са силно анизотропни и репликират структурна йерархия на AF; когато се засяват с мезенхимни стромални клетки, тези скелета насърчават отлагането на органичен ECM, богат на колаген, който се доближава до ъгловата многослойна архитектура на естествения AF. 52 Порести копринени скелета и техните производни също са показали обещаващи характеристики за тъканно инженерство на AF, подпомагащи производството на матрикс, подобен на AF, на засетите клетки. 90 скелета от ателоколаген, засяти с автоложни AF клетки, са ефективни при лечението на малки AF дефекти при заешки in vivo модел. 91 Независимо от това, все още е несигурно дали такива хидрогелове и влакна поддържат здравината и здравината, необходими за интегриране със съседните AF и костните тъкани в дългосрочен план.

В идеалния случай интеграцията на импланти означава клетъчна интеграция с поддържане на фенотип, интеграция на матрица и запазване на функцията. Независимо от това са необходими допълнителни разработки, които да подкрепят интеграцията на тъканно инженерните присадки в естествените структури, особено хрущялните или костните крайни пластини. Добавянето на имитиращи компоненти на крайната плоча може да спомогне за улесняване на интеграцията в гръбначната кост и поддържане на функцията на импланта, предотвратявайки бърза загуба на протеогликан. 96-98 Функционализирането на материали със специфични ECM компоненти, биоактивни фактори или нуклеинови киселини ще помогне за насочването на естествените или терапевтично доставени клетки към желания фенотип.

4.1 Клетъчно инженерство

5 КЛИНИЧЕН ПРЕВОД

Успешният превод на метод за възстановяване за клинично приложение трябва да отговаря на нуждите на пациента и да бъде адаптиран към ограниченията на клиничната обстановка в допълнение към отговарящите на описаните биологични и биомеханични изисквания. Лечението трябва да се извършва лесно чрез инжектиране или имплантиране по време на процедурата, когато се извършва дисцектомия. Инжекционната биологична терапия изглежда идеална за задоволяване на тази необходимост след дисцектомия, за да се запълни празнината в NP и да се поправят пукнатините на AF. Процедурите за дисцектомия са сравнително кратки и материалът трябва да остане на място след имплантацията. 51 Следователно, времето за желиране на инжекционен гел е важен параметър за определяне на осъществимостта на клиничния превод. Ремонтът трябва също така да може да издържи натоварването незабавно, когато пациентът се подложи на процедурата и/или се възстанови от упойка и е подложен на динамично натоварване, свързано с нормални ежедневни дейности.

6 ЗАКЛЮЧЕНИЯ

ПРИЗНАВАНИЯ

С благодарност признаваме AOSpine International; Програмата за съвместни изследователски дейности на Фондация АО Annulus Fibrosus Repair; Научна фондация Ирландия (SFI) и Европейския фонд за регионално развитие (грант номер 13/RC/2073); частично финансиране от безвъзмездната помощ на Националните здравни институти R01AR057397; C.T.B. беше подкрепена от Наградата за кариерно развитие на Science Foundation Ireland (15/CDA/3476). Авторите биха искали да благодарят на Servier Medical Art (www.servier.com) за тяхната банка изображения, използвана за създаване на Фигура 2. Благодарим на Maciej Doczyk за съдействието за графичен дизайн с Фигура 5.

Конфликт на интереси

Авторите нямат конфликт на интереси, който да декларират по отношение на тази статия.