Introduction
Травми сухожиль, включаючи надриви та розриви, є поширеною формою тендинопатії та одними з найпоширеніших ортопедичних ушкоджень [1]. Щороку мільйони людей у всьому світі страждають від травм сухожиль, які часто трапляються як серед спортсменів, так і серед осіб, що не займаються спортом [2]. Етіологія травм сухожиль включає такі фактори, як спорт, травма, перенавантаження, запалення, вік та генетика [3]. Ці ушкодження становлять значні клінічні виклики для пацієнтів через властиву сухожиллю обмежену регенеративну здатність, яка зазвичай пов'язана з гіпоцелюлярною та гіповаскулярною природою сухожилля [4], природними процесами загоєння та реакцією на реабілітацію після травми [5].
Ахіллове сухожилля (АС) є одним із сухожиль, які найчастіше травмуються [2, 3, 6]. Анатомічно АС складається із сухожиль латерального литкового (lateral gastrocnemius), медіального литкового (medial gastrocnemius) та камбалоподібного (soleus) м'язів і є одним із найтовстіших та найміцніших сухожиль в організмі; ці особливості дозволяють АС витримувати великі сили розтягу. Однак кількість розривів АС зросла за останні чотири десятиліття і продовжує збільшуватися [7]. Оскільки АС з'єднує камбалоподібний та литковий м'язи з п'ятковою кісткою (calcaneus) і є життєво важливим для рухливості, травма АС може призвести до значної втрати працездатності у постраждалих пацієнтів [7]. Травми можуть спричиняти біль, набряк, втрату функції та нерухомість, що може призвести до зниження щоденної активності та обмежень у спортивній діяльності [8]. Ступінь тяжкості ахіллової тендинопатії можна оцінювати на основі інтенсивності болю, змін у повсякденній активності, а також обмеження або припинення спортивної діяльності [9]. Крім того, тяжкі травми АС у спортсменів можна класифікувати залежно від втрати функції, втрати часу >30 днів та наявності хірургічної травми [10].
Сучасні методи лікування травм сухожиль включають консервативні підходи, такі як знеболення, фізіотерапію, кріотерапію та стратегії реабілітаційних вправ. Якщо ці стратегії неефективні або не показані через причину та/або тяжкість травми сухожилля, існують хірургічні варіанти лікування, що включають пряме зшивання, імплантацію сухожильних трансплантатів (аутотрансплантатів, алотрансплантатів, ксенотрансплантатів), імплантацію синтетичних матеріалів та застосування біологічних терапій (клітинних, безклітинних) [5]. Однак сучасні методи та терапії часто призводять до клінічної невдачі, спричиняючи повторні травми, утворення рубцевої тканини та труднощі у відновленні функціональних і біомеханічних властивостей [11]. Наприклад, у дослідженні за участю 762 пацієнтів до 3,7% хірургічно лікованих травм ахіллового сухожилля (AT) не відновилися повністю, а до 9,8% консервативно лікованих AT не повернулися до нормальної функції [12]. Отже, необхідно розробити функціональне, практичне та тривале лікування сухожиль.
Тканинна інженерія стає перспективною галуззю для досліджень AT. Вона включає стовбурові клітини, біологічні препарати та каркаси, виготовлені з природних, синтетичних або композитних матеріалів. Метою є розробка конструкту, який відновлює функціональність сухожилля, імітуючи як механічні, так і біологічні характеристики сухожилля. Цей підхід спрямований на відтворення мікросередовища AT та покращення загоєння за допомогою стовбурових клітин і біологічних препаратів. У цьому огляді досліджуються тканинно-інженерні конструкти для ушкоджень AT, включаючи їхні компоненти — клітини, біологічні препарати та матеріальні каркаси, а також їхні біоміметичні властивості та впровадження в клінічну практику.
Анатомія, склад та біомеханіка ахіллового сухожилля (Achilles tendon)
АТ — це сполучна тканина, розташована в задній частині нижньої кінцівки, яка з'єднує литковий (gastrocnemius) та камбалоподібний (soleus) м'язи з горбом п'яткової кістки (calcaneus). Сухожилкові компоненти, що утворюють АТ, беруть початок із задньої ділянки кінцівки, відходячи від латеральної головки литкового м'яза (lateral gastrocnemius), медіальної головки литкового м'яза (medial gastrocnemius) та камбалоподібного м'яза (soleus), які прикріплюються до горба п'яткової кістки. Анатомічні ділянки ушкоджень АТ можуть описуватися залежно від їхнього розташування: внутрішньом'язова ділянка (intramuscular region), неінсерційна ділянка (non-insertional region) (середня ділянка сухожилка) та преінсерційна ділянка (pre-insertion site) (приблизно 2 см вище п'яткової кістки) [13].
Кожне сухожилля в АС (AT) складається з високоорганізованих пучків волокон, укладених у тонкий шар сполучної тканини, який називається епітенон (epitenon). Ці пучки включають первинні, вторинні та третинні волокна, всі з яких складаються з колагенових волокон, утворених з фібрил із ланцюгами тропоколагенів [14]. Фібрили формують сухожилкові фасцикули (tendon fascicles), які об'єднуються шаром ендотенону (endotenon), а вся ця структура покрита шаром епітенону (epitenon) [15]. Ці шари дозволяють судинній системі проходити крізь них та забезпечувати живлення. Крім того, на відміну від більшості сухожилків-згиначів кисті та стопи, АС (AT) на жодному з відрізків свого ходу не міститься в синовіальній піхві (synovial sheath) [16]. АС (AT) переважно складається з колагену I типу (60–85%); воно містить меншу кількість колагенів III, IV, V та VI типів, а також містить еластинові волокна та протеоглікани [17]. Тенобласти (tenoblasts) та теноцити (tenocytes), які становлять 90–95% клітин у сухожилку, секретують позаклітинний матрикс (extracellular matrix, ECM), що містить неколагенові глікопротеїни, такі як фібронектин (fibronectin), ламінін (laminin), тромбоспондин (thrombospondin) та тенасцин-С (tenascin-C) [18].
Ахіллове сухожилля (AT) є найсильнішим, найбільшим і найтовщим сухожиллям в організмі людини, маючи довжину близько 150 мм, товщину від 5 до 7 мм і ширину приблизно 20 мм [19]. Біомеханічна оцінка AT демонструє властивості тканини, включаючи міцність на розтяг, модуль Юнга та еластичність. AT передає найсильніші сили через гомілковостопний суглоб для розгинання стопи [20]. Характеристики біомеханічних сил, що діють у типовому AT у людей, включають: середню граничну напругу на розтяг 100 МПа; діапазон модуля Юнга від 1 до 2 ГПа; діапазон деформації при розриві 4–10%; жорсткість від 17 до 760 Н/мм; та еластичність близько 6% вхідної енергії під час фази навантаження при ходьбі [13, 21]. Ці результати вимірювань можуть варіюватися залежно від використовуваних методів аналізу, таких як сила та розташування ультразвуку [13], а також індивідуальних факторів, як-от вік, стать, зріст, вага, фізичний стан та рівень активності.
Дефект ахіллового сухожилля, загоєння та відновлення: механізм і сучасні методи
Загоєння залишається основною клінічною проблемою при травмах ахіллового сухожилля (AT), головним чином через гіповаскулярну та гіпоцелюлярну природу сухожилля, що, як зазначалося вище, обмежує його внутрішню здатність до загоєння та відновлення. Дійсно, у процесі загоєння травми AT часто ускладнюються дезадаптивними наслідками, які спільно називаються тендинопатіями. Вони включають утворення несухожильних тканин — таких як мінералізовані відкладення, хрящоподібна тканина (хондрогенез) та жирові інфільтрати (адипогенез), а також розвиток фіброзної тканини, спайок та рубцювання. Разом ці патологічні події ремоделювання порушують нормальний склад та архітектуру позаклітинного матриксу (ECM), погіршуючи здатність тканини відновлювати свої нативні механічні та функціональні властивості. Результат часто включає неповне або погане загоєння, що характеризується зниженою міцністю на розрив, зміненою еластичністю та підвищеним ризиком повторної травми або хронічного болю.
Успішне загоєння AT вимагає більшого, ніж просто структурне закриття місця травми; воно потребує відновлення специфічних для сухожилля клітинних популяцій (наприклад, тенобластів (tenocytes) і стовбурових/прогеніторних клітин сухожилля), реконструкції впорядкованої архітектури колагенових фібрил та відновлення біомеханічних показників до рівня, що передував травмі. Досягнення цього балансу між біологічним відновленням і механічною стійкістю є важливим для забезпечення довгострокових функціональних результатів і зниження ризику рецидиву. Через цю складність загоєння AT дедалі частіше визнається не просто репаративним процесом, а динамічною взаємодією клітинних, молекулярних і механічних факторів, що підкреслює необхідність передових терапевтичних стратегій, здатних спрямовувати регенерацію тканини до справжнього фенотипу сухожилля.
Позаклітинний матрикс (ECM) ахіллового сухожилля (AT), як і будь-якої іншої тканини, є складною мережею біологічних молекул, що включає переважно колаген I типу та інші компоненти, такі як протеоглікани та глікопротеїни. Позаклітинний матрикс забезпечує тканинний фенотип і підтримку, а також передає зусилля від м'яза до сухожилля, сприяючи його нормальній функції. Встановлено, що передача сили м'язово-сухожильного комплексу залежить від структурної цілісності між м'язовими волокнами та позаклітинним матриксом. Важливо зазначити, що розташування, орієнтація, щільність і довжина колагенових та м'язових волокон є вирішальними для функції сухожилля. Отже, сухожилля є однією з тих тканин, де позаклітинний матрикс є динамічним і адаптується до функціональних потреб. Ця динамічна природа певною мірою передбачає оновлення колагенових білків для задоволення змін, що виникають при механічному навантаженні або бездіяльності та знерухомленні сухожилля [17, 22].
Загоєння Ахіллового сухожилля (AT) відбувається у три фази: запалення, проліферація та ремоделювання [23]. Ці фази загоєння залучають різноманітні клітини з кількох джерел, включаючи запальні клітини, резиденційні фібробласти та мезенхімальні стовбурові клітини сухожилля або кісткового мозку [24]. При розриві Ахіллового сухожилля запускається імунна відповідь, що включає рекрутування макрофагів, нейтрофілів та моноцитів до пошкодженої тканини [23]. Запальні клітини вивільняють прозапальні цитокіни, ініціюють процес репарації та виділяють фактори росту, які сприяють рекрутуванню клітин, включаючи тендоцити та мезенхімальні стовбурові клітини [24]. Крім того, тендоцити, прилеглі до місця ушкодження, зазнають апоптозу, а навколишні клітини-попередники та тенобласти допомагають процесу загоєння шляхом міграції, проліферації та диференціації [25]. Після травми продукція позаклітинного матриксу (ECM) значно зростає та відіграє важливу роль у ремоделюванні Ахіллового сухожилля. Під час фази репарації колаген III типу є найбільш домінантним під час ремоделювання [26]. Хоча специфічні клітинні події та склад позаклітинного матриксу можуть варіювати залежно від фізіології конкретного ушкодження сухожилля, чи то гострого, чи хронічного — причому гострі травми зазвичай характеризуються сильною запальною відповіддю та швидким відкладенням позаклітинного матриксу, а хронічні травми часто демонструють тривале запалення, фібротичне накопичення позаклітинного матриксу та порушене ремоделювання — основними факторами, що спрямовують регенерацію, залишаються резиденційні клітини, секретовані цитокіни, фактори росту та позаклітинний матрикс [24, 27].
Природне загоєння ахіллового сухожилля (AT) відбувається відносно повільно і часто не призводить до повного відновлення функціональності та міцності порівняно з нормальними сухожиллями [28]. Для вирішення цієї проблеми застосовуються різні стратегії: консервативне лікування, хірургічне лікування та регенеративні підходи (клітинна терапія та терапія факторами росту). Консервативні методи, які зазвичай є нехірургічними підходами, що зменшують біль та запалення, захищають сухожилля від подальших ушкоджень і підтримують ендогенний процес відновлення сухожилля. До них належать: іммобілізація гіпсом та функціональне шинування з ранньою реабілітацією [29]; кріотерапія [30]; екстракорпоральна ударно-хвильова терапія (ESWT) [31]; лікувальний ультразвук [32]; електротерапія [33] та ексцентричні вправи [34]. Ці підходи зазвичай показані при легких травмах, а оперативні методи можуть застосовуватися, якщо консервативні методи неефективні, наприклад, через 3–6 місяців, або у більш тяжких випадках [35]. На відміну від цього, хірургічні методи використовуються, коли нехірургічні, консервативні методи неефективні або не можуть бути застосовані. Загалом, підходи включають видалення пошкодженої ділянки сухожилля, первинне відновлення (шовна реконструкція) ахіллового сухожилля (AT) або імплантацію трансплантатів, таких як аутографти (тканина пацієнта), алографти (тканина від людського трупа) та ксенографти (тканина від туші тварини). Однак трансплантати мають обмеження, такі як підвищений ризик фіброзу, втрата функціональності тканини та неможливість відновити нормальні властивості сухожилля. Крім того, аутографти мають обмеження через захворюваність донорської ділянки [36], а також підвищену ймовірність болю в місці забору, втрату функції тканин донорської ділянки після забору та обмежені розміри трансплантата, які можуть не відповідати вимогам травми. Обмеження та проблеми альтернативних сухожильних трансплантатів включають неспроможність трансплантата, відторгнення, інфекцію та передачу захворювань [37]. Як наслідок, функціональні результати, пов'язані з сухожильними трансплантатами, загалом є незадовільними [38, 39]. Хоча існують недоліки поточних хірургічних методів лікування ахіллового сухожилля (AT), оперативне лікування має менше післяопераційних інфекцій та менше повторних розривів порівняно з неоперативним лікуванням [40].
Фактори росту та інші біологічні препарати стали цінними методами лікування деяких травм ахіллового сухожилля (Achilles tendon) завдяки безклітинним підходам, які передбачають ін’єкцію таких речовин, як збагачена тромбоцитами плазма (platelet-rich plasma, PRP) та збагачений тромбоцитами фібрин (platelet-rich fibrin, PRF), що отримуються з крові пацієнта та містять різноманітні корисні фактори росту [41]. PRP стала широко використовуваним методом лікування в клінічній практиці, включаючи лікування травм ахіллового сухожилля (AT). Аутологічні матриці PRF показали багатообіцяючі результати після хірургічних процедур із швидшим функціональним відновленням у 6 спортсменів [42]. Аналогічно, проспективне рандомізоване контрольоване клінічне дослідження показало подібні результати після хірургічних процедур із використанням методу шва «кінець у кінець» за Краковим (end-to-end Krackow suture), що вказує на кращу функціональну працездатність у групі PRP [43]. Хоча ці дослідження свідчать про те, що лікування PRP та PRF покращує післяопераційне функціональне відновлення, їхні вибірки є відносно невеликими. Для подолання цього обмеження необхідні масштабніші випробування для підтвердження цих результатів. У рандомізованому контрольованому дослідженні із застосуванням PRP без хірургічного лікування ахіллового сухожилля (AT) множинні ін’єкції PRP не показали значущого загоєння сухожилля або покращення результатів (за даними пацієнтів, функціональних або клінічних) [44]. Це дослідження вказує на те, що використання PRP окремо або разом із хірургічним лікуванням може впливати на результат. Такі фактори росту, як TGF-β [45], BMP [46], IGF [47], FGF [48], PDGF [49] та VEGF [50], були окремо вивчені та застосовані в регенерації сухожиль. Вони відіграють вирішальну роль у відновленні та регенерації, залучаючи та диференціюючи клітини, синтезуючи позаклітинний матрикс (ECM) та сприяючи ангіогенезу [51]. Серед їхніх ключових ролей та переваг — короткий ефективний період напіввиведення та нестабільність [51].
Сучасні дослідження в цій галузі дедалі частіше вивчають потенціал клітинної терапії для лікування травм ахіллового сухожилля (AT) із використанням клітин, отриманих як із власного організму пацієнта (аутологічні), так і від інших донорів, включаючи алогенні або ксеногенні джерела. Типи клітин, що використовуються в цих терапіях, можуть бути стовбуровими клітинами, такими як мезенхімальні стовбурові клітини, або диференційованими клітинами, наприклад, теніцитами [52]. Теніцити є численними клітинами в мікрооточенні сухожилля, відіграючи вирішальну роль у загоєнні сухожилля. Вони створюють мікрооточення шляхом секреції специфічних факторів росту та відновлення позаклітинного матриксу (ECM) під час загоєння. Крім того, стовбурові клітини широко вивчаються на предмет їхнього потенціалу до відновлення та регенерації різних тканин. Це зумовлено їхніми мультипотентними або плюрипотентними властивостями, які дозволяють їм диференціюватися в різні типи клітин. Для регенерації ахіллового сухожилля (AT) вивчали різні типи стовбурових клітин, включаючи отримані з сухожилля (TDSCs) [53], отримані з жирової тканини (ADSCs) [54], отримані з кісткового мозку (BMSCs) [55, 56] та індуковані плюрипотентні стовбурові клітини (iPSCs) [57]. Деякі стовбурові клітини, включаючи мезенхімальні стовбурові клітини, мають властивості, що виходять за межі їхньої мультипотентності, включаючи імуномодулюючу здатність та здатність до самовідновлення. Хоча мезенхімальні стовбурові клітини (MSCs) мають переваги, стовбурові клітини повинні бути належним чином охарактеризовані та протестовані перед клінічним застосуванням. Особливо це стосується алогенних та ксеногенних стовбурових клітин, які не отримані з тканин пацієнта. Трансплантація цих клітин може призвести до несприятливих ефектів, таких як відторгнення внаслідок перенесення хвороби від донора до реципієнта або неспроможність трансплантата. Занепокоєння щодо використання плюрипотентних стовбурових клітин може включати ризик утворення тератом, що потребує подальших досліджень для визначення оптимального методу забезпечення їхньої життєздатності та безпечного використання в клітинній терапії [58].
Тканинна інженерія ахіллового сухожилля
Тканинна інженерія є новою галуззю, яка має на меті покращити регенерацію AT (ахиллового сухожилля) за допомогою різних комбінацій клітинної терапії, біологічної терапії та біоматеріальних каркасів для спрямованої регенерації тканин. Під час загоєння та регенерації AT якість відновлення тканини залежить від біомеханічних сил, структури тканини, ендогенних клітин та складу позаклітинного матриксу (ECM) [59]. Метою тканинної інженерії ахиллового сухожилля є оптимізація загоєння та відновлення сухожилля. Це передбачає використання біоматеріальних каркасів для забезпечення функціональності, а також включення клітин і факторів росту для створення мікросередовища, яке підтримує загоєння сухожилля.
Тканинна інженерія є мультидисциплінарною галуззю, яка поєднує знання з матеріалознавства, біомедичної інженерії та клітинної біології для розробки конструктів, призначених для відновлення та регенерації тканин [2]. Розуміння характеристик тканин та біомеханіки є необхідним для проєктування каркасу (scaffold), який точно відображає властивості тканини, імітує її архітектуру та відновлює функціональність [60]. Одним із підходів у тканинній інженерії для спрямованої регенерації тканин є створення каркасів, які сприяють регенерації. Ці каркаси також можуть слугувати носіями для доставки клітин, факторів росту або інших біоактивних частинок. Для досягнення цього можна застосовувати різні методи виробництва, зокрема 3D-друк, електроспінінг, електроспрей, поверхневе осадження та формування [61, 62]. Вибір матеріалів, розчинників і методів виготовлення каркасів впливає на їхні властивості протягом усього процесу. Оптимізація полімерів, методів підготовки матеріалів та технологій виробництва є важливою для прогресу в спрямованій регенерації сухожиль. Після визначення цих параметрів каркаси можна розробити та протестувати in vitro для характеристики їхніх механічних властивостей перед проведенням досліджень на тваринах для оцінки здійсненності та валідації. Цей процес допомагає охарактеризувати матеріал і надає можливість для подальших модифікацій. Після розробки матеріалу до каркасу in vitro можна додати клітини та біологічні агенти для створення покращеного конструкту для тканинної інженерії. Клітини та біологічні агенти відіграють вирішальну роль у формуванні тканинно-специфічного мікросередовища, яке створює ідеальні умови для загоєння, відновлення та регенерації тканин. Вибір матеріалів, типів клітин і корисних біологічних агентів ґрунтується на специфічній тривимірній матриці з позаклітинним матриксом (ECM), необхідній для регенерації тканини. Після тестування цитосумісності in vitro оцінка біосумісності in vivo є необхідною для визначення, чи викликає каркас клітинний стрес або апоптоз, що потенційно може призвести до небажаних реакцій в організмі. Крім того, тести функціональності повинні підтвердити, що імплантований конструкт ефективно працює in vivo.
Біоміметичні конструкції
Інженерія сухожилкової тканини використовувала різні полімери для створення каркасів. Ці полімери класифікуються на три категорії: природні, синтетичні та безклітинні. Природні полімери отримують із природних джерел і використовують у конструкціях тканинної інженерії. Наприклад, альгінат — це природний полімер, отриманий із клітинних стінок бурих водоростей, який використовується в різних регенеративних конструкціях. Крім того, синтетичні полімери створюються штучно і широко застосовуються в тканинній інженерії, оскільки їх можна налаштовувати та модифікувати для досягнення конкретних бажаних властивостей. Крім того, безклітинні матриці, що містять білки позаклітинного матриксу (ECM), отримують із тканин, які децелюляризують та обробляють за допомогою спеціальних методик. Ці матриці можна використовувати як каркаси для імітації цільового мікрооточення, і вони розроблені для відтворення структури ахіллового сухожилля (AT). Ці різноманітні полімери можна використовувати окремо або комбінувати для створення композитного біоміметичного каркаса, який імітує властивості AT. Композитні каркаси потім поєднують із біологічними препаратами або різними типами клітин для розробки біоміметичних конструкцій, які покращують відновлення та регенерацію тканини.
Природні матеріали
Природні полімери широко використовуються в тканинній інженерії сухожиль завдяки їхній біосумісності та біоактивності. Такі матеріали, як колаген, гіалуронова кислота, фібрин, хітозан і целюлоза, є природними полімерами і можуть застосовуватися окремо або у вигляді композитів [63], хоча досягнення необхідної механічної міцності, особливо для AT, залишається складним завданням. Тим не менш, численні дослідження демонструють, що склад і архітектура каркаса можуть значно покращити як біологічні, так і механічні результати. Наприклад, каркаси з шовкових волокон, заповнені шовковим фіброїном/колагеном [64] або орієнтованими колагеновими волокнами, виготовлені за допомогою передових методів екструзії [65], тісно імітують мікроструктуру нативного сухожилля та демонструють покращену клітинну відповідь in vivo, диференціацію та функціональне відновлення. Завдяки покращеному біомімікрії за рахунок орієнтованих волокон, каркаси, комбіновані з BMSCs, показали вищі механічні властивості на розтяг, включаючи максимальне напруження при розтягу та модуль Юнга, порівняно з випадковими волокнами: 5.02 ± 0.18 проти 1.92 ± 0.17 МПа та 34.52 ± 8.19 проти 10.51 ± 1.42 МПа. Ці результати демонструють, що важливі не лише матеріали, що використовуються в конструкціях, та їхня здатність до налаштування, але й спосіб виготовлення матеріалів та їхня архітектура, оскільки це значно впливає на механічні властивості, клітинну відповідь і функціональність. В іншому дослідженні порівнювали асиметричні каркаси на основі хітозану, засіяні стовбуровими/попередниковими клітинами сухожилля (TSPCs), з порожнім дефектом, і показали зменшення перітендинозних спайок, одночасно сприяючи проліферації клітин та експресії теногенних генів, що призвело до покращення механічної міцності (значно вищий модуль Юнга порівняно з порожнім дефектом) та вирівнювання колагенових волокон на тваринних моделях [66]. Ці результати продемонстрували, що хітозановий каркас, особливо при засіванні TSPCs, посилює регенерацію сухожилля, демонструючи перспективність як терапевтичної стратегії для відновлення AT. Інший каркас із шовкового фіброїну, створений за допомогою комбінованого процесу міцелізації та фібриляції для імітації структури сухожилля з високоорієнтованими нанофібрилами, досяг міцності (6 ± 1 МПа) та жорсткості (12.0 ± 1.3 МПа), які тісно відповідають показникам AT [67].
Досліджуються нові підходи до тканинної інженерії ахіллового сухожилля, зокрема використання мембрани страусиної шкаралупи (ESM) у поєднанні з PRP. Ця комбінація сприяла синтезу колагену, організації колагену в новоутворених тканинах та відновленню ходи in vivo [68] (Таблиця 1). Однак у групі лише з ESM-каркасом, без PRP, спостерігалася вища запальна відповідь, більша кальцифікація та найнижчі механічні властивості. Крім того, ESM у поєднанні з PRP продемонструвала підвищену кінцеву (так звану руйнівну або граничну) міцність (48,91 ± 15,56 МПа), але знижений модуль Юнга (20,90 ± 7,53 МПа) порівняно з нормальним сухожиллям, тоді як вимірювання між ESM та ESM + PRP не показали значущих відмінностей. Крім того, було створено новий біоактивний гідрогель із секретів шкіри саламандри, який виявив як антибактеріальні, так і антиоксидантні властивості; гідрогель зменшував перітендонні спайки, але не усував їх повністю [69]. Більше того, регенеровані сухожилля у щурів показали модуль, ближчий до нормальної тканини, але їхня кінцева міцність на розрив залишалася нижчою (7,1 ± 1,9 МПа), ніж у нормальних сухожиллях (14,0 ± 5,8 МПа). Досягнуто значного прогресу в розробці гідрогелів, які викликають гелеутворення при температурі тіла після ін'єкції, відомих як термочутливі гідрогелі. Наприклад, в одному дослідженні дослідники продемонстрували, що термочутливий гідрогель хітозан/колаген у поєднанні з МСК підтримував регенерацію в моделі травми АС, сприяючи протизапальним та прорепаративним сигнальним шляхам [70]. Окрім цих покращень, група гідрогель + МСК показала підвищену міцність на розрив у моделі щура, близьку до міцності неураженого сухожилля та вищу, ніж у групі лише з гідрогелем.
Різні матеріали, включаючи природні, синтетичні або композитні, а також різноманітні конструкції та методи виготовлення, такі як техніки друку та механічні властивості (модуль Юнга, E та границя міцності на розрив/міцність, UTS), використовуються для відтворення впорядкованої структури та створення біоміметичних конструкцій для регенерації ахіллового сухожилля (отримано дозволи на використання зображень з опублікованих статей).
У сукупності ці досягнення підкреслюють, що успіх регенерації сухожилля залежить не лише від вибору природного полімеру, але й від дизайну каркасу, вирівнювання волокон та включення біологічних сигналів. Хоча багато конструкцій демонструють покращені механічні властивості та клітинні реакції в доклінічних моделях, необхідна подальша робота для вдосконалення цих біоматеріалів задля послідовного впровадження в клінічну практику.
Синтетичні матеріали
Синтетичні полімери широко використовуються в дизайні каркасів (scaffold) для регенеративної медицини завдяки їхнім регульованим властивостям та здатності імітувати біомеханіку тканин. Такі матеріали, як полі(молочна-ко-гліколева кислота) (PLGA), полімолочна кислота (PLA), полікапролактон (PCL) та полігліколід (PGA), тестуються для тканинної інженерії сухожиль з урахуванням біодеградабельності, токсичності, цитосумісності, біосумісності та біомеханіки. Розробка каркасів (scaffold) проходить поетапний процес від підготовки до тестування in vitro та in vivo.
Останні досягнення підкреслюють цінність п'єзоелектричних полімерів завдяки їхнім протизапальним властивостям та структурам вирівняних каркасів для імітації ахіллового сухожилля (AT), що впливають на клітинну відповідь. Наприклад, п'єзоелектричний PCL у комбінації з наночастинками тетрагонального титанату барію (BTO) сприяв протизапальним ефектам, відкладенню колагену та функціональному відновленню в моделях AT [71]. На противагу цьому, у групах PCL спостерігалися неорганізовані колагенові структури, незрілий колаген та фіброзна рубцева тканина. Крім того, механічні властивості, такі як міцність на розрив, модуль Юнга та максимальне навантаження, були вищими в PLC/BTO (24,66 ± 1,02 та 49,59 ± 2,90 МПа відповідно), ніж у чистому PCL (17,81 ± 0,85 та 40,93 ± 3,75 МПа відповідно). Ці результати демонструють потенціал п'єзоелектричних наноплівок, що містять BTO, для стимуляції регенерації сухожилля. Інший п'єзоелектричний полімер, еластомери на основі поліестеру, посилив біомеханічну міцність із модулем пружності до 0,3 МПа та відновлюваною деформацією до 300%, що дозволило витримувати рух ахіллового сухожилля [72]. Дослідники припустили, що каркас знизив ризик повторного розриву завдяки покращенню біомеханічних властивостей та демонстрації біосумісності, без запальної теплової реакції навколо місця імплантації. В іншому дослідженні з гібридними каркасами PLA/PGA, модифікованими гіалуроновою кислотою, також було показано покращення механічних характеристик, але, крім того, продемонстровано зменшення запалення, що підкреслює перспективність безклітинних стратегій регенерації [73]. Однак вони також виявили незрілість регенерованих сухожиль та обмежене покращення механічних властивостей, таких як модуль Юнга (1,29 ± 1,35) та деформація при розриві.
Незважаючи на безклітинні скаффолди, стовбурові клітини можна стимулювати до диференціювання в нативні клітини для загоєння завдяки вирівняним або біоміметичним топографіям скаффолдів (Таблиця 1). Оскільки сухожилля мають високоорганізовану структуру колагенових волокон, дослідники намагаються імітувати мікро- та макроструктуру сухожилля. Наприклад, композитний синтетичний скаффолд із паралельними борознами був надрукований з використанням GelMA (ядро) та PCL (оболонка), що покращує механічні властивості, вирівнювання клітин, теногенну диференціацію та зменшує запалення порівняно з плоскою поверхнею [74]. Крім того, група скаффолд + TSPCs показала кращі механічні властивості (сила руйнування: 54,80 ± 16,08 Н, модуль: 27,31 ± 4,35 МПа) та регенерацію, ніж група лише скаффолду, а також вищий показник функціонального індексу ахіллового сухожилля (AFI), ніж група лише скаффолду. Дослідження також продемонструвало, що біоміметичний композит — що складається зі скаффолду, обгорнутого полідіоксаноном (PDS), подібно до перитенону, що оточує сухожилля, — демонструє покращені біомеханічні властивості та сприяє регенерації сухожилля, оскільки PDS є біосумісним і відповідним вибором для імітації перитенону завдяки повільній швидкості абсорбції [75]. Інший біоінспірований дизайн скаффолду використовував полі-L-молочну кислоту (PLLA) та поліетиленоксид (PEO) для розробки мікро-нановолоконних електроспінних скаффолдів, що імітують фібрили та волокна в AT [76], і мікро-нановолокна показали покращену організацію колагену, експресію сухожильних маркерів та властивості на розтяг, такі як напруга при руйнуванні (6,12 ± 1,35) порівняно з контрольною групою, що призвело до кращих результатів регенерації.
Загалом, синтетичні каркаси (scaffolds) сприяють як механічному зміцненню, так і біологічній функціональності. Майбутні дослідження мають більше зосередитися на довгостроковій біодеградації та біосумісності, щоб забезпечити впровадження цих результатів у клінічне застосування.
Композитні матеріали
Полімерні композити все частіше сприяють розвитку тканинної інженерії шляхом поєднання природних і синтетичних полімерів, безклітинних матриксів (acellular matrices) або обох, щоб досягти балансу між біологічною функцією та механічними властивостями. Останні дослідження висвітлюють різноманітні стратегії регенерації ахіллового сухожилля (AT).
Одне з помітних досліджень розробило хітозановий п'єзоелектричний гель (CSPG), який поєднує природний хітозан із синтетичним п'єзоелектричним еластомером для забезпечення як біологічної, так і механічної підтримки шляхом покращення навантаження до руйнування та модуля пружності, імітуючи структуру ахіллового сухожилля (AT) [77]. Крім того, низькоінтенсивний імпульсний ультразвук (LIPUS), традиційна методика в ортопедії, також використовувався для прискорення загоєння. Було виявлено, що комбінація CSPG та LIPUS посилює життєздатність клітин, проліферацію, міграцію, антибактеріальну активність та теногенну диференціацію. Ці ефекти пояснюються електричними полями, що генеруються під дією ультразвукового стресу. Це дослідження демонструє, що поєднання різних типів полімерів у композитній конструкції, а також інтеграція методів лікування в ортопедії можуть покращити результати загоєння. Однак група CSPG все ще демонструє деяку невпорядковану морфологію з більшою кількістю клітин і кровоносних судин порівняно з групою фіктивної операції (sham). Інший підхід передбачав створення композитного каркасу з хітозану, PLLA, желатину та PEO за допомогою стабільного струменевого електропрядіння, що дало змогу отримати ультратонкі, орієнтовані волокна, які імітують мікроструктуру сухожилля [78] (Таблиця 1). Людські iPSCs диференціювали в MSCs, а потім у теніцити на цих волокнах, демонструючи вищу механічну міцність in vitro порівняно з хаотично орієнтованими волокнами, з вищою міцністю на розрив (14,23 ± 1,08 проти 2,43 ± 0,28 МПа) та модулем Юнга (325,01 ± 25,05 проти 74,46 ± 12,99 МПа). Конструкція також продемонструвала біомеханічні показники, такі як жорсткість, напруження при руйнуванні та модуль Юнга, а також експресію сухожильно-специфічних генів in vivo, більшість з яких вказують на покращене відновлення ахіллового сухожилля; однак вона також показала дещо нижчу деформацію в точці розриву з орієнтованими волокнами порівняно з хаотичними.
Подальші досягнення включають виготовлення високоорієнтованих волокон з хітозану (CTS)/PLGA та позаклітинного матриксу, отриманого з сухожилля (TECM)-CTS/PLGA, за допомогою коаксіального електроспінінгу для створення каркасів, виконане Ту та співавт. [79] (Таблиця 1). Волокна, модифіковані TECM, покращили цитосумісність та експресію маркерів сухожилля, що призвело до регенерації in vivo з колагеновою структурою, порівнянною з нативними сухожиллями. Однак вони також зазначили обмеження дослідження, такі як послаблення механічних властивостей каркаса під впливом TECM (модуль Юнга без TECM: 88,69 ± 3,41 проти з TECM: 64,11 ± 2,81 МПа), що може вплинути на подальші дослідження. Вони спостерігали аномальну кальцифікацію через 12 тижнів після імплантації, а також необхідність верифікації з використанням клітин людини та тестування на великих тваринах для клінічного застосування. Подібним чином, TECM, навантажений стовбуровими клітинами, отриманими з сухожилля, та вбудований у двофазний каркас PCL/шовковий фіброїн, продемонстрував покращену цитосумісність та відновлення позаклітинного матриксу (ECM) [80]. Каркас у поєднанні з TDSCs сприяв утворенню добре впорядкованих колагенових волокон та вищому модулю пружності при розтягуванні (55,95 ± 22,04 проти 108,5 ± 6,48 МПа) порівняно з каркасом без TDSCs (41,92 ± 16,36 проти 73,60 ± 9,34 МПа) на 6 та 12 тижнях відповідно, що призвело до кращого розвитку та дозрівання сухожилля in vivo. Вони також зазначили, що конструкт не повністю відновив свої механічні властивості протягом 12 тижнів і демонстрував погану організацію волокон. Інший підхід на природній основі поєднував шовковий фіброїн, PLGA та колаген для створення композитного каркаса з трикотажною сітчастою структурою, на відміну від орієнтованої структури, що спостерігалася в попередніх дослідженнях [81]. Цей каркас був засіяний MSCs, що показало покращені результати порівняно з контролем (без MSCs), з максимальним навантаженням (138,47 ± 27,68 проти 88,46 ± 20,07 Н), напругою (18,75 ± 3,90 проти 11,80 ± 2,71 МПа) та модулем пружності (130,49 ± 34,45 проти 82,56 ± 21,33 МПа) у моделях кроликів через 8 тижнів, а також з упорядкованими колагеновими волокнами, що нагадують інтактне AT. Це демонструє нижчі механічні властивості каркаса за відсутності MSCs. Вони також спостерігали невелику кількість інфільтрації запальних клітин через 8 тижнів, яка зникла на 16 тижні, а матеріал поступово деградував. Крім того, вони зазначили, що формування тканинно-інженерної тканини спостерігалося лише на 16 тижні, а не раніше, і що біомеханічні властивості слід тестувати після 16 тижнів, що підкреслює важливість довгострокових досліджень на тваринах для клінічного впровадження. Колаген залишається широко використовуваним природним полімером і також був використаний у колагеновій губці в сітці Vicryl, засіяній кістковомозковими MSCs, що відновило жорсткість до 98% та досягло модуля Юнга (~70 МПа), значно вищого порівняно з каркасом без MSCs (контроль) in vivo [82]. Крім того, гістологічна організація та видовжені тендоцити спостерігалися через три місяці, а каркас був повністю замінений зрілою сухожильною тканиною, що нагадує інтактні сухожилля, через шість місяців. Навпаки, контролі демонстрували фіброзне відновлення з невпорядкованими колагеновими волокнами та обмеженою регенерацією. Це дослідження, як і більшість інших, підкреслює важливість клітин у регенеративних конструктах для покращеного відновлення ахіллового сухожилля.
Загалом, природні компоненти сприяють біосумісності та сприятливим клітинним реакціям, тоді як синтетичні матеріали покращують механічні властивості. Подальший розвиток композитних скаффолдів має великі перспективи для регенерації AT. Подальші дослідження мають зосередитися на покращенні зручності використання для хірурга та проведенні довгострокової валідації біологічної та механічної продуктивності для підтримки клінічного впровадження.
Ацелюлярні матеріали
Безклітинні матеріали — це скаффолди, отримані з нативних тканин шляхом децелюляризації — процесу, який видаляє клітини, зберігаючи позаклітинний матрикс (ECM) [83]. Для відновлення ахіллового сухожилля (AT) ці матеріали є особливо цінними, оскільки вони зберігають біохімічні особливості, структурну організацію та механічний каркас сухожильної тканини, створюючи мікросередовище, яке підтримує регенерацію та функцію. Коротко кажучи, імітуючи нативний ECM, безклітинні скаффолди сприяють прикріпленню, проліферації та диференціації клітин, одночасно знижуючи імуногенність порівняно з сухожильними трансплантатами. При поєднанні зі стовбуровими клітинами або факторами росту вони додатково посилюють сухожильно-специфічне загоєння, пропонуючи перспективну стратегію для функціональної та біомеханічно міцної регенерації AT. Тканини зазвичай обирають відповідно до цільового застосування — для відновлення AT сухожильну тканину децелюляризують, щоб зберегти її нативний склад ECM. Наприклад, сухожилля щурячого хвоста, оброблені заморожуванням-відтаванням і поєднані з жировими стовбуровими клітинами (ADSCs), продемонстрували хорошу біосумісність, низьку імуногенність та підвищену регуляцію сухожильно-специфічних маркерів [22]. Дослідження in vivo виявили покращене відновлення ходи та відкладення колагену, а біомеханічні тести показали значну перевагу ADSCs у поєднанні зі скаффолдом порівняно зі скаффолдом або ADSCs окремо. Це дослідження також припустило, що локальне запальне мікросередовище та фактори росту регулюють диференціацію клітин, імплантованих у місце ураження, а імунне відторгнення трансплантатів потребує подальшого вивчення. Як показано, рецелюляризація децелюляризованих скаффолдів може посилити біомеханічні властивості конструкцій. Інший приклад: Bottagisio та ін. порівняли аутографти (золотий стандарт), децелюляризовані ксенографти коней (DG) та рецелюляризовані тканинно-інженерні ксенографти (TEG) з аутологічними мезенхімальними стовбуровими клітинами кісткового мозку (BMSCs) [84]. Імплантовані в AT кролика, TEG продемонстрували результати, подібні до аутографтів, з покращеною біомеханікою (модуль пружності та напруження руйнування), збільшеним відкладенням колагену, зниженим запаленням та покращеною біосумісністю порівняно з DG, що підкреслює імуномодулюючу роль BMSCs. TEG також продемонстрували активне ремоделювання через експресію протеогліканів та активність матриксної металопротеїнази (MMP), що свідчить про їхній потенціал як альтернативи аутографту.
Також досліджуються нові джерела, зокрема децелюляризована шкіра тиляпії (DTFS), яка має низький біологічний ризик та етичні переваги порівняно з позаклітинним матриксом (ECM) ссавців; а також зшита (C-DTFS) з покращеною жорсткістю та модулем Юнга, тоді як тестування на розтяг показало різні результати для різних типів шкіри та залежно від їхнього вологого/сухого стану [85]. C-DTFS також підтримувала життєздатність клітин і теногенну диференціацію TDSC. На моделях щурів C-DTFS + TDSC досягли функціональних результатів зі зменшеним рубцюванням та організацією колагену, порівнянною з аутотрансплантатами, перевершуючи ацелюлярні скаффолди, що демонструє застосування цих покращених інженерних підходів. Хоча автори не згадали імуногенні компоненти, вони зазначили, що DTFS має обмежену антибактеріальну активність і може бути покрита для запобігання післяопераційним інфекціям, що пропонується для подальшого вивчення. Крім обмежень, вони спостерігали деяку хрящову тканину через 8 тижнів після операції в групах C-DTFS та дефекту.
Загалом, роботи в цій галузі надали додаткові докази та клінічне підтвердження того, що безклітинні матрикси імітують мікрооточення сухожилля та підтримують позитивні реакції організму-хазяїна [86, 87]. Хоча деякі з них тестують імуногенність своїх конструктів та обговорюють її, більшість не демонструють жодних імуногенних реакцій, що свідчить про те, що подальше обговорення їхньої імуногенності може бути корисним для літератури та зрештою призвести до клінічного впровадження. Крім того, рецелюляризація стовбуровими клітинами стабільно демонструвала покращені біомеханічні та регенеративні результати [88]. Однак необхідні подальші дослідження для підтвердження довгострокової біомеханічної надійності та забезпечення стабільної клінічної застосовності децелюляризованої тканини.
Враховуючи всі типи матеріалів, дизайни каркасів, а також клітинні та біологічні сигнали, основною метою є розробка функціонального конструкту, який відповідає різним аспектам ахіллового сухожилля, включаючи його механічні властивості, структуру, клітинний склад та експресію білків. Досягнення оптимальних результатів за всіма цими факторами є складним завданням. Як розглянуто в цій статті, ефективність регенеративних конструктів ахіллового сухожилля залежить від багатьох елементів, але ті, що включають клітини, зазвичай дають кращі результати. Структури каркасів та типи клітин, зображені на Рис. 1, були поєднані різними способами в літературі, причому багато досліджень повідомляють про функціональні покращення порівняно з контрольними групами, які не мали каркаса або мали лише каркас. Цей огляд підкреслює, що на функціональність впливає не лише структура самого каркаса, а скоріше його комбінована взаємодія з клітинами, які реагують на топографії, геометрії та архітектури каркасів.
Схема для ілюстрації взаємозв'язку структури та функції між каркасами (scaffolds), клітинами та функціональними результатами, важливими для тканинної інженерії сухожиль. Функціональність регенеративних конструктів залежить від кількох факторів, таких як структура каркаса та клітини всередині конструктів. Комбінації цих факторів можуть створювати функціональні конструкти з метою покращення принаймні однієї з перерахованих характеристик. Перераховані структури, клітини та функціональні можливості взято з літератури, процитованої в цій оглядовій статті. (Зображення створено за допомогою Biorender)
Клінічний переклад
Більшість досліджень регенерації ахіллового сухожилля (Achilles tendon) тестують конструкції in vitro та in vivo. Також вивчаються клітинні та безклітинні підходи, щоб визначити, який з них може забезпечити більші клінічні переваги. Для клінічної застосовності конструкції, протестовані за багатьма параметрами, є важливими, наприклад, підвищені механічні властивості та функціональність каркасів у поєднанні з клітинами (Рис. 1). Хоча численні опубліковані та майбутні дослідження спрямовані на покращення регенерації ахіллового сухожилля та демонстрацію функціональних результатів, їхнє впровадження в клінічну практику залишається складним завданням. Окрім їхньої функціональності in vitro або in vivo, для застосування конструкцій у лікуванні дефектів ахіллового сухожилля необхідно дотримуватися кількох критеріїв (Рис. 2). Наприклад, структура, біосумісність, біодеградація, токсичність, робота хірурга з каркасом, а також довгострокове спостереження in vitro та in vivo. Одним із найменш обговорюваних критеріїв є робота хірурга з каркасами. Хоча це може здаватися простим і неважливим, цей параметр відіграє значну роль у клініці, дозволяючи легко готувати, зберігати та використовувати каркаси. Наприклад, каркаси необхідно розробляти з урахуванням розміщення в зоні дефекту, наприклад, за допомогою швів. Місця накладання швів можна інтегрувати в каркас для його стабілізації, як продемонстрували Jiang та ін. для сухожилля обертальної манжети плеча [89]. Рисунок 1 також демонструє, що місця накладання швів можна розташовувати з обох боків каркасів для операцій на ахілловому сухожиллі. Крім того, для контролю та сприяння всім цим параметрам, згаданим на Рис. 2, необхідні лікарі, біологи, хіміки, інженери та регуляторні органи, що робить конструкції застосовними в клінічних умовах. Щоб зробити ці міждисциплінарні розробки трансляційними в медицині людини, конструкції тестують на тваринах або з використанням біореакторів та технологій «орган-на-чипі». У цьому розділі будуть згадані застосування конструкцій in vivo для ахіллового сухожилля (AT), їхнє клінічне впровадження та сучасні практики в людини.
Основні міркування щодо перекладу конструкцій ахіллового сухожилля (Achilles tendon) з лабораторії в клініку. Вони включають встановлення чітких та послідовних результатів, що забезпечують функціональне відновлення. (Зображення створено за допомогою Biorender)
Ось переклад: Моделі in vivo для клінічної трансляції
Хоча дослідження in vitro уточнюють цитотоксичні властивості кінцевого тканинно-інженерного продукту, дослідження in vivo допоможуть не лише у загоєнні пошкодженої тканини, але й у розумінні біосумісності, біомеханіки та функції тканинно-інженерного конструкту. Усі дослідження in vivo, проведені на сьогодні, виконувалися лише на моделях тварин (гризуни, кролі, кози та вівці). Немає відомих клінічних випробувань, що тривають, для оцінки будь-якого 3D-друкованого сухожильного конструкту. Таким чином, дослідження in vivo продовжують мати першочергове значення [90–92].
Гризуни, переважно миші та щури, зазвичай використовуються як моделі при розробці нових продуктів. Ці моделі є економічно ефективними, а дослідження можна завершити за короткий час. Однак найбільшим недоліком є те, що клінічно значущу ситуацію, яка спостерігається у людей, неможливо відтворити на моделях гризунів, і тому методи відновлення впроваджувалися повільно або взагалі не могли бути реалізовані. Щоб обійти ці труднощі, кролі стали проміжною моделлю, на якій можна певною мірою оцінити хірургічні методи та функціональні результати. Великі тваринні моделі, включаючи коней та собак, забезпечують набагато більшу відповідність людині. Вони необхідні для перенесення нової терапії з лабораторії в клініку.
Одночасно з вибором моделі тварини здійснюється вибір типу ушкодження або травми сухожилля. Травму сухожилля можна індукувати ін'єкціями специфічних реагентів, таких як колагеназа, TGF-бета або простагландини, які призначені для стимуляції запалення та дегенерації. Ці моделі на основі ін'єкцій широко використовуються, а концентрації індукторів, терміни та біологічні шляхи, що вивчаються, чітко задокументовані. Ці моделі переважно є гризуновими, що дозволяє відносно легко визначити біологічні механізми пошкодження та відновлення сухожилля. Поздовжні та поперечні розрізи також використовуються для індукції тендинопатії. Подібним чином, інші моделі тварин, включаючи моделі на основі травматичних ушкоджень, моделі перевантаження та механічного навантаження, також описані в літературі. Моделі тварин слугують не лише для дослідження біологічних механізмів травми та репарації сухожилля, але й допомагають вивчати ефекти загоєння тканин новими біоматеріалами та 3D-друкованими конструкціями in vivo.
Хоча існують різні моделі тварин та методи для відтворення травми ахіллового сухожилля та створення моделей захворювання, розрив між тваринними моделями та клінічним застосуванням залишається. Це зумовлено кількома причинами, такими як відмінності між тваринними моделями та ахілловим сухожиллям людини (міцність, механічна функція та структура), відсутність повної оцінки та розуміння функції клітин, властивостей каркасу (scaffold), загальної функціональності, а також міграції або деградації матеріалу in vivo. Наприклад, через обмежену кількість груп тварин та короткостроковий характер досліджень на тваринах, ці дослідження не можуть надати достатньо даних для підтвердження довгострокової функціональності конструкцій (constructs) у різних аспектах. Крім того, не всі дослідження можна проводити на великих тваринах протягом тривалих періодів, наприклад, мікрокомп'ютерну томографію (Micro CT) та гістологію. Наприклад, ці два методи потребують різної підготовки зразків; отже, вони потребують окремих груп у дослідженні. Це збільшує кількість тварин, вартість (особливо для моделей великих тварин та кролів) та скорочує період дослідження (через післяопераційний догляд). Враховуючи ці виклики в дослідженнях на тваринах, покращення результатів in vitro за допомогою динамічних систем (біореакторів або орган-на-чипі) для тестування більшої кількості параметрів, усунення груп та подовження періодів дослідження може бути корисним як до проведення досліджень на тваринах, так і для клінічного застосування.
Клінічні підходи до практик людини
Клінічні підходи до лікування травм ахіллового сухожилля (AT) у людини включають консервативне лікування, яке передбачає застосування пероральних анальгетиків (наприклад, ацетамінофену, нестероїдних протизапальних препаратів), спокій та іммобілізацію (наприклад, гіпсування, шинування) ураженого суглоба [93]. Хірургічні підходи, коли консервативне лікування неможливе, включають малоінвазивні та відкриті процедури. Мета-аналіз літератури демонструє зниження ризику повторної травми при хірургічному лікуванні розривів ахіллового сухожилля [94–96]. Хірургічні підходи при гострому розриві ахіллового сухожилля (AT) включають відкриту репарацію, репарацію через малоінвазивний розріз, традиційну черезшкірну систему репарації ахіллового сухожилля (PARS) та модифіковану PARS з використанням кісткового анкера для посилення [97]. Хірургічна репарація хронічного або застарілого розриву ахіллового сухожилля може включати аутографтинг, алотрансплантат або ксенотрансплантат з використанням раніше описаних матеріалів. Мета лікування однакова як для гострих розривів ахіллового сухожилля, так і для хронічних або застарілих розривів AT: відновлення анатомічної довжини та фізіологічного натягу, відновлення адекватної міцності, повернення до оптимальної функції, зменшення болю та зниження частоти ускладнень. Отже, метою для інженерних тканинних матеріалів має бути функціональність, практичність і довговічність, що відповідає хірургічним цілям репарації розриву ахіллового сухожилля.
Цікаво, що існує різноманіття комерційно доступних ацелюлярних дермальних матриксів, які складаються з дермального шару та позаклітинного матриксу шкіри людини або тварини, з яких видалено епідермальний шар. Матрикс містить фактори росту, колаген та еластин. Хоча ці матрикси зазвичай використовуються як шкірні трансплантати, спочатку вони були розроблені для посилення відновлення ахіллового сухожилля (AT). Це зумовлено виключно їхньою механічною міцністю та еластичними властивостями [98]. Наприклад, дермальний матрикс людини, розроблений компанією Stryker, відомий як Graft jacket, пропонується для зміцнення відновлення сухожилля та забезпечення росту нової тканини. Нова тканина проростатиме крізь матеріал трансплантата, що дозволить сухожиллю стати міцнішим і витривалішим. Використання як шкірного трансплантата є нетиповим застосуванням. У будь-якому випадку, матрикси є дорогими, мають обмежений термін придатності, не забезпечують функціонального відновлення, і, що найважливіше, спостерігається варіабельність клінічних результатів від пацієнта до пацієнта. Більшість цих комерційних продуктів не досліджуються на предмет їхнього механізму дії, тому, як описано в окремих розділах цієї оглядової статті, вкрай важливо зрозуміти механізм дії цих матриксів перед їхнім використанням у клініці. Така стратегія значно сприятиме їхньому клінічному застосуванню з покращеними результатами.
Майбутні перспективи та висновки
Тканинна інженерія — це еволюціонуюча міждисциплінарна галузь, яка поєднує біологічні та механічні підходи, а також розробку та використання нових каркасів, інструментів і методів для кращого розуміння механізмів захворювань та створення практичних рішень. Як обговорювалося в розділі «Моделі in vivo для клінічної трансляції», у регенеративній медицині існують обмеження, зумовлені різними аспектами методів лікування та складністю захворювань. Через ці обмеження, незважаючи на позитивні результати кожного дослідження in vitro та in vivo, клінічного застосування цих конструкцій не відбувається. Для подолання цих обмежень вдосконалення інструментів, які наразі використовуються в цій галузі, та покращення здатності системи краще розуміти середовище хвороби є важливими для впровадження інноваційних рішень. Деякі з найновіших підходів у регенеративній медицині та тканинній інженерії використовують тривимірні системи культивування клітин, такі як сфероїди, органоїди та системи спільного культивування; вдосконалені каркаси з використанням інноваційних методів, як-от лазерне мікропаттернування; та розробку динамічних систем, таких як біореактори та системи «орган-на-чипі». Наприклад, у системах «орган-на-чипі» (OOC) метою часто є створення патологічного мікрооточення, яке імітує середовище хвороби, щоб краще зрозуміти взаємодії в мікрооточенні або патофізіологію захворювання, знаходячи таким чином ефективні рішення без необхідності досліджень на тваринах, або покращити результати досліджень на тваринах шляхом зменшення параметрів і кількості груп у дослідженнях на основі систем OOC та збільшення періоду дослідження. Як приклад системи OOC у дослідженні сухожиль, в одному дослідженні було розроблено сухожилля людини-на-чипі (hToC) та створено мікрооточення міофібробластів (MME) для вивчення мікрооточення травмованих сухожиль, включаючи взаємодії між міофібробластами, судинною системою та імунною системою, що продемонструвало платформу для оцінки методів лікування тендинопатій [99]. Інше дослідження «орган-на-чипі» продемонструвало спрямування вирівнювання клітин на чипі сухожилля за допомогою магнітної маніпуляції для розвитку теногенного фенотипу, використовуючи як внутрішні, так і зовнішні компартменти сухожиль у поєднанні з перфузійними судинними каналами [100]. Вони створили цю установку для розуміння патологій тендинопатії, таких як запалення сухожилля, та для тестування терапевтичних стратегій. Ці технології та вдосконалені методи роботи з клітинами та каркасами з'являються не лише для того, щоб забезпечити розуміння патофізіології захворювань, але й для розробки більш цілеспрямованих та ефективних рішень і, зрештою, для створення трансляційних продуктів.
Acknowledgements
Автори висловлюють подяку доктору Бреду Дею (Dr. Brad Day), асоційованому віце-канцлеру з дослідницьких інноваційних ініціатив Університету Теннессі в Ноксвіллі, за редагування та вичитування статті.
Фінансування
Управління досліджень та взаємодії, Університет Теннессі, Ноксвілл
Доступність даних
Це оглядова стаття, тому вона не містить жодних дослідницьких даних для звітування. Усі опубліковані звіти належним чином процитовані.
Footnotes
Springer Nature зберігає нейтралітет щодо юрисдикційних претензій в опублікованих мапах та інституційної належності.
Література
Супутні дані
Заява про доступність даних
Це оглядова стаття, тому вона не містить жодних дослідницьких даних для звітування. Усі опубліковані звіти належним чином процитовані.