Untuk pertama kalinya, cakram intervertebral rekayasa biologis berhasil ditanamkan dan menyediakan fungsi jangka panjang dalam model hewan terbesar yang pernah digunakan dalam arah ini.
Sebuah studi Penn Medicine baru yang diterbitkan dalam Science Translational Medicine menunjukkan bukti kuat bahwa sel-sel pasien yang menderita sakit leher dan punggung dapat digunakan untuk merekayasa diskus intervertebralis baru di laboratorium untuk menggantikan yang rusak. Penelitian yang dilakukan pada kambing, dilakukan oleh tim interdisipliner di Departemen Kedokteran, Fakultas Teknik dan Sains Terapan, dan Fakultas Kedokteran Hewan di University of Pennsylvania.
Jaringan lunak di tulang belakang, cakram intervertebralis, diperlukan dalam gerakan seperti memutar kepala atau mengikat tali sepatu. Tetapi sekitar setengah dari populasi orang dewasa di Amerika Serikat menderita sakit punggung atau leher, dan perawatan dan perawatan bagi mereka menempatkan beban ekonomi yang serius pada masyarakat - sekitar $ 195 miliar per tahun. Sementara kehancuran diskus intervertebralis sering dikaitkan dengan rasa sakit ini, penyebab utama kehancurannya masih kurang dipahami. Pendekatan modern, termasuk operasi tulang belakang dan implan pengganti mekanis, memberikan pengobatan simtomatik, tetapi mereka tidak mengembalikan struktur, fungsi, dan rentang gerakan disk asli, dan mereka sering memiliki keefektifan terbatas. Jadi, ada permintaan untuk perawatan baru.
Rekayasa jaringan memiliki janji besar. Ini melibatkan menggabungkan sel induk pasien atau hewan sendiri dengan perancah biomaterial di laboratorium untuk membangun struktur kompleks yang kemudian ditanamkan ke tulang belakang sebagai disk pengganti. Selama 15 tahun terakhir, tim peneliti Penn telah mengembangkan disc bioengineered menggunakan teknik jaringan, bergerak dari dasar penelitian in vitro ke model hewan kecil dan model hewan yang lebih besar, dengan fokus pada uji coba manusia.
“Ini adalah langkah penting: menumbuhkan disk yang begitu besar di laboratorium, menempatkannya di ruang disk, dan kemudian membuatnya berintegrasi dengan jaringan asli di sekitarnya. Ini sangat menjanjikan, ”kata Robert L. Mock, profesor pendidikan dan penelitian bedah ortopedi di Perelman Medical School di Penn, serta seorang peneliti di Pusat Medis Kopral Michael Crescenz VA (CMC VAMC) di Philadelphia dan penulis utama publikasi. "Terapi saat ini tidak benar-benar memperbaiki cakram, jadi kami berharap bahwa dengan implan yang dikembangkan ini, kami akan menggantinya dengan cara yang biologis dan fungsional, dan mengembalikan rentang gerak penuh."
Penelitian sebelumnya oleh tim telah berhasil menunjukkan integrasi cakram yang direkayasa secara biologis mereka, yang dikenal sebagai struktur lapisan sudut seperti cakram (DAPS), pada ekor tikus selama lima minggu. Penelitian terbaru ini memperpanjang periode ini pada tikus hingga 20 minggu - tetapi dengan cakram yang diperbarui yang dikenal sebagai DAPS atau eDAPS yang dimodifikasi untuk meniru struktur segmen tulang belakang asli. Penambahan pelat ujung membantu melestarikan struktur rekayasa dan memfasilitasi integrasi ke jaringan asli.
MRI, bersama dengan analisis histologis, mekanik dan biokimia, menunjukkan bahwa eDAPS memulihkan struktur disk asli, fungsi biologi dan mekanik dalam model tikus. Membangun kesuksesan ini, para peneliti kemudian menanamkan eDAPS ke tulang belakang leher kambing. Mereka memilih seekor kambing karena dimensi cakram serviksnya mirip dengan manusia, dan kambing itu memiliki bentuk setengah berdiri.
Para peneliti telah menunjukkan penggantian cakram lengkap yang berhasil pada kambing serviks. Setelah satu bulan, distribusi matriks dipertahankan atau ditingkatkan sebagai bagian dari eDAPS. Hasil MRI juga menunjukkan bahwa komposisi cakram dipertahankan atau ditingkatkan setelah delapan minggu, dan bahwa sifat-sifat mekanik baik sesuai atau melebihi orang-orang dari cakram kambing asli.
"Saya pikir itu luar biasa bahwa kita telah beralih dari ekor tikus ke implan berukuran manusia," kata Harvey E. Smith, MD, asisten profesor bedah ortopedi dan bedah saraf di Perelman School of Medicine. dan ahli bedah penuh waktu di CMC VAMC, serta seorang peneliti senior dan pengawas penelitian klinis. "Ketika Anda melihat kesuksesan dalam literatur tentang perangkat mekanik, saya percaya bahwa ada alasan yang sangat baik untuk optimisme, bahwa kita dapat mencapai kesuksesan yang sama jika kita tidak mengatasinya dengan cakram bioengineered."
Tim peneliti mengaitkan keberhasilan pekerjaan ini dengan pendekatan multidisiplin dan penerjemahan yang mereka gunakan sejak awal di Penn, tempat banyak pakar dari berbagai departemen dan sekolah yang terlibat dalam proyek ini tinggal.
“Kami menggunakan semua arah yang berbeda yang dimiliki Penn, dari penelitian dasar hingga dokter. Kami memiliki jaringan luar biasa yang dapat digunakan untuk ini dan penelitian lain, ”kata penulis studi Thomas P. Schaer, direktur VMD, direktur penelitian ortopedi translasi dan studi praklinis di Fakultas Kedokteran Hewan Universitas New Bolton, Pennsylvania. Pusat “Tidak setiap lembaga akademik memiliki ekosistem bersama yang merupakan keuntungan besar bagi kami ketika kami memulai studi ini dan kemudian mendukungnya dari waktu ke waktu.”
Tim ini juga termasuk penulis pertama, Sarah Gulbrand, seorang peneliti di Departemen Bedah Orthopedic Penn Medicine dan Pusat Penelitian Muskuloskeletal Penerjemahan di Pusat Medis Kopral Michael Crescenz VA, Lachlan Smith, anggota Departemen Bedah Saraf dan Bedah Ortopedi di Penn dan Dawn M. Elliott, mantan peneliti Penna, saat ini kepala Departemen Teknik Biomedis di University of Delaware.
Langkah selanjutnya adalah melakukan tes jangka panjang dari fungsi eDAPS dalam model kambing, kata para penulis, serta untuk memodelkan penghancuran cakram intervertebralis pada manusia dan untuk menguji bagaimana cakram bioengineer mereka bekerja dalam konteks ini.
"Dianjurkan untuk menanamkan jaringan biologis yang terdiri dari sel-sel Anda sendiri," kata Smith. “Penggunaan implan pengganti jaringan nyata pada endoprosthetics - kami belum melakukan ini dalam ortopedi. Saya percaya bahwa ini akan menjadi perubahan paradigma dalam cara kita mengobati penyakit tulang belakang dan bagaimana kita merekonstruksi sendi. "