Un nuovo tipo di trappole per bendaggi ossei produce naturalmente adenosina vicino alla rottura, che promuove e accelera la guarigione nel sito prima di rilasciare lentamente l'adenosina nel corpo. Credito:Shyni Varghese, Duke University
I ricercatori della Duke University hanno progettato una benda che cattura e trattiene una molecola pro-guaritrice nel sito di una frattura ossea per accelerare e migliorare il processo di guarigione naturale.
In uno studio di prova di principio con i topi, il bendaggio ha contribuito ad accelerare la formazione del callo e la vascolarizzazione per ottenere una migliore riparazione ossea entro tre settimane.
La ricerca punta verso un metodo generale per migliorare la riparazione ossea dopo un danno che potrebbe essere applicato a prodotti medici come bende biodegradabili, rivestimenti implantari o innesti ossei per difetti critici.
I risultati appaiono online il 12 dicembre sulla rivista Materiale avanzato .
Nel 2014, Shyni Varghese, professore di ingegneria biomedica, ingegneria meccanica e scienza dei materiali, e ortopedia al Duke, stava studiando come i popolari biomateriali a base di fosfato di calcio promuovono la riparazione e la rigenerazione ossea. Il suo laboratorio ha scoperto che la biomolecola adenosina svolge un ruolo particolarmente importante nello stimolare la crescita ossea.
Dopo ulteriori studi, hanno scoperto che il corpo inonda naturalmente l'area intorno a una nuova lesione ossea con le molecole di adenosina pro-guarigione, ma quei livelli localmente elevati vengono metabolizzati rapidamente e non durano a lungo. Varghese si chiedeva se mantenere quei livelli alti più a lungo avrebbe aiutato il processo di guarigione.
Shyni Varghese, professore di ingegneria biomedica, ingegneria meccanica e scienza dei materiali, e ortopedia alla Duke University. Credito:Duke University
Ma c'era un problema.
"L'adenosina è onnipresente in tutto il corpo a bassi livelli e svolge molte funzioni importanti che non hanno nulla a che fare con la guarigione delle ossa, " ha detto Varghese. "Per evitare effetti collaterali indesiderati, abbiamo dovuto trovare un modo per mantenere l'adenosina localizzata nel tessuto danneggiato e a livelli appropriati".
La soluzione di Varghese è stata quella di lasciare che il corpo dettasse i livelli di adenosina mentre aiutava il biochimico a rimanere un po' più a lungo intorno alla ferita. Lei e Yuze Zeng, uno studente laureato nel laboratorio di Varghese, ha progettato un bendaggio biomateriale applicato direttamente all'osso rotto che contiene molecole di boronato che si aggrappano all'adenosina. Però, i legami tra le molecole non durano per sempre, che consente un lento rilascio di adenosina dal bendaggio senza accumularsi in altre parti del corpo.
Nello studio attuale, Varghese e i suoi colleghi hanno dimostrato per la prima volta che i biomateriali porosi incorporati con boronati erano in grado di catturare l'ondata locale di adenosina a seguito di una lesione. I ricercatori hanno quindi applicato bende innescate per catturare l'adenosina dell'ospite o bende precaricate con adenosina alle fratture della tibia nei topi.
Dopo più di una settimana, i topi trattati con entrambi i tipi di bende stavano guarendo più velocemente di quelli con bende non innescate per catturare l'adenosina. Dopo tre settimane, mentre tutti i topi nello studio hanno mostrato guarigione, quelli trattati con entrambi i tipi di bendaggio adenosina hanno mostrato una migliore formazione ossea, maggior volume osseo e migliore vascolarizzazione.
Questo grafico mostra il progresso della guarigione di una frattura in un topo trattato con un nuovo tipo di bendaggio osseo che intrappola l'adenosina nativa (in alto), è precaricato con adenosina esterna (al centro), e non ha affatto adenosina. L'adenosina sequestrata aiuta chiaramente le rotture a guarire più velocemente ad occhio nudo fino a 14 giorni, con sezioni trasversali delle ossa che mostrano più densità e vascolarizzazione dopo 21 giorni. Credito:Shyni Varghese, Duke University
I risultati hanno mostrato che non solo le bende che intrappolano l'adenosina promuovono la guarigione, funzionano sia che stiano intrappolando l'adenosina nativa o che ne siano artificialmente caricati, che ha importanti implicazioni nel trattamento delle fratture ossee associate all'invecchiamento e all'osteoporosi.
"Il nostro lavoro precedente ha dimostrato che i pazienti con osteoporosi non producono adenosina quando le loro ossa si rompono, " Yuze ha detto. "Questi primi risultati indicano che queste bende potrebbero aiutare a fornire l'adenosina necessaria per riparare le loro ferite evitando potenziali effetti collaterali".
Varghese e Yuze vedono anche molti altri percorsi in avanti per le applicazioni biomediche. Per esempio, immaginano una benda biodegradabile che intrappola l'adenosina per aiutare a guarire le ossa rotte e poi si decompone nel corpo. O per i pazienti osteoporotici, un bendaggio permanente che può essere ricaricato con adenosina nei siti che soffrono di lesioni ripetute. Prevedono anche un gel lubrificante armato di adenosina che può aiutare a prevenire le lesioni ossee causate dall'usura associata a interventi di chirurgia ricostruttiva delle articolazioni o altri impianti medici.
"Abbiamo dimostrato che questo è un approccio praticabile e abbiamo depositato un brevetto per dispositivi e trattamenti futuri, ma abbiamo ancora molta strada da fare, " ha detto Varghese. "Le bende potrebbero essere progettate per catturare e trattenere l'adenosina in modo più efficiente. E ovviamente dobbiamo anche scoprire se questi risultati reggono negli esseri umani o potrebbero causare effetti collaterali".
