Pela primeira vez, discos intervertebrais de engenharia biológica foram implantados com sucesso e forneceram função de longo prazo no maior modelo animal já usado nessa direção.
Um novo estudo da Penn Medicine publicado na Science Translational Medicine mostra fortes evidências de que as células de pacientes que sofrem de dores no pescoço e nas costas podem ser usadas para projetar um novo disco intervertebral em um laboratório para substituir um danificado. O estudo, realizado em cabras, foi conduzido por uma equipe interdisciplinar do Departamento de Medicina, da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas e da Escola de Medicina Veterinária da Universidade da Pensilvânia.
Os tecidos moles da coluna vertebral, discos intervertebrais, são necessários em movimentos como virar a cabeça ou amarrar cadarços. Porém, cerca de metade da população adulta nos Estados Unidos sofre de dores nas costas ou no pescoço, o tratamento e os cuidados deles representam um sério ônus econômico para a sociedade - cerca de US $ 195 bilhões por ano. Embora a destruição do disco intervertebral esteja freqüentemente associada a essa dor, as principais causas de sua destruição permanecem menos compreendidas. As abordagens modernas, incluindo cirurgia da coluna vertebral e implantes de substituição mecânica, fornecem tratamento sintomático, mas não restauram a estrutura, a função e a amplitude de movimento do disco nativo e geralmente têm eficácia limitada. Assim, há um pedido de novos tratamentos.
A engenharia de tecidos tem uma grande promessa. Envolve combinar células-tronco do próprio paciente ou animal com andaimes de biomateriais em um laboratório para construir uma estrutura complexa que é então implantada na coluna vertebral como um disco de substituição. Nos últimos 15 anos, a equipe de pesquisa da Penn desenvolveu um disco de bioengenharia usando engenharia de tecidos, passando da pesquisa básica in vitro para modelos de animais pequenos e modelos de animais maiores, com foco em testes em humanos.
“Este é um passo importante: cultivar um disco tão grande em laboratório, colocá-lo no espaço em disco e integrá-lo ao tecido nativo ao redor. Isso é muito promissor ”, disse Robert L. Mock, professor de educação e pesquisa em cirurgia ortopédica na Escola de Medicina Perelman em Penn, além de pesquisador do Centro Médico Corporativo Michael Crescenz VA (CMC VAMC) na Filadélfia e principal autor da publicação. “As terapias atuais não reparam realmente o disco, por isso esperamos que, com este implante desenvolvido, o substituamos de maneira biológica e funcional e restaure toda a amplitude de movimento.”
Pesquisas anteriores da equipe mostraram com sucesso a integração de seus discos de bioengenharia, conhecidos como estruturas de camadas angulares (DAPS), em caudas de ratos por cinco semanas. Este último estudo estendeu esse período em ratos para 20 semanas - mas com discos atualizados conhecidos como DAPS ou eDAPS modificados na placa terminal para imitar a estrutura do segmento espinhal nativo. A adição de placas finais ajudou a preservar a estrutura de engenharia e facilitar sua integração no tecido nativo.
A ressonância magnética, juntamente com a análise histológica, mecânica e bioquímica, mostrou que o eDAPS restaurou a estrutura do disco nativo, a biologia e a função mecânica no modelo de rato. Com base nesse sucesso, os pesquisadores implantaram o eDAPS na coluna cervical de cabras. Eles escolheram uma cabra porque as dimensões do seu disco cervical-espinhal são semelhantes às humanas, e as cabras têm uma figura semi-permanente.
Os pesquisadores mostraram uma substituição completa e bem-sucedida do disco na cabra cervical. Após um mês, a distribuição da matriz foi mantida ou aprimorada como parte do eDAPS. Os resultados da ressonância magnética também sugerem que a composição do disco foi mantida ou melhorada após oito semanas e que as propriedades mecânicas correspondiam ou excederam as do disco de cabra nativo.
"Eu acredito que é ótimo termos passado de um rabo de rato para implantes do tamanho humano", disse Harvey E. Smith, MD, professor assistente de cirurgia ortopédica e neurocirurgia da Perelman School of Medicine. e cirurgião em tempo integral no CMC VAMC, além de pesquisador sênior e supervisor de pesquisa clínica. "Quando você analisa o sucesso na literatura sobre dispositivos mecânicos, acredito que há uma boa razão para otimismo, que podemos alcançar o mesmo sucesso se não o superarmos com discos de engenharia biológica".
A equipe de pesquisa associa o sucesso deste trabalho à abordagem multidisciplinar e translacional que eles usaram desde o início em Penn, onde vivem muitos especialistas de vários departamentos e escolas envolvidos no projeto.
“Usamos todas as diferentes direções que Penn tem sob o seu teto, desde a pesquisa básica até os médicos. Temos uma rede incrível que pode ser usada para essa e outras pesquisas ”, disse o autor do estudo, Thomas P. Schaer, diretor da VMD, diretor de pesquisa ortopédica translacional e estudos pré-clínicos da Escola de Medicina Veterinária da Universidade New Bolton Centro "Nem toda instituição acadêmica tem um ecossistema tão conjunto que foi uma grande vantagem para nós quando iniciamos este estudo e o apoiamos ao longo do tempo".
A equipe também inclui a primeira autora, Sarah Gulbrand, pesquisadora do Departamento de Cirurgia Ortopédica da Penn Medicine e do Centro de Pesquisa Musculoesquelética Translacional do Centro Médico Corporativo Michael Crescenz VA, Lachlan Smith, membro do Departamento de Neurocirurgia e Cirurgia Ortopédica em Penn e Dawn M. Elliott, ex-pesquisadora Penna, atualmente chefe do Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade de Delaware.
O próximo passo será realizar testes de longo prazo da função eDAPS no modelo de cabras, disseram os autores, além de modelar a destruição de discos intervertebrais em humanos e testar como seus discos de bioengenharia funcionam nesse contexto.
"É aconselhável implantar tecidos biológicos compostos por suas próprias células", disse Smith. “O uso de um implante de substituição de tecido real em endoprótese - ainda não fizemos isso em ortopedia. Acredito que essa será uma mudança de paradigma na maneira como tratamos as doenças da coluna vertebral e na reconstrução das articulações. ”