Naukowcy pokazują, że stymulacja elektryczna może być kluczem dla zdrowych ścięgien
Nowatorski bioreaktor piezoelektryczny otwiera nowe możliwości terapii regeneracyjnych
Nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z University of Galway i University of Limerick sugeruje, że stymulacja elektryczna może być istotna dla utrzymania ścięgien w zdrowiu, oferując nowe możliwości w zakresie naprawy i regeneracji ścięgien.
Badania przeprowadzono w CÚRAM Research Centre for Medical Devices, finansowanym przez Taighde Éireann – Research Ireland, dawniej Science Foundation Ireland.
Ścięgna są odporne na intensywne naprężenia mechaniczne, jednocześnie ułatwiając przenoszenie siły z mięśni na kości. Są również piezoelektryczne, co oznacza, że gdy są rozciągane, wytwarzają pole elektryczne, które uważa się za ważne dla regulacji funkcji komórek ścięgien. Jednak w przypadku urazu ścięgna oferują ograniczone możliwości gojenia, co często prowadzi do przewlekłego bólu i niepełnosprawności, wpływając tym samym na produktywność pacjentów.
W 2023 r. poważne zerwania lub urazy ścięgien, więzadeł i mięśni dotknęły prawie pół miliona osób zatrudnionych w pełnym wymiarze godzin w Stanach Zjednoczonych.
Powrót do zdrowia po urazach ścięgien jest powolny i często wymaga intensywnej rehabilitacji, co powoduje prawie dwa miesiące utraconych dni pracy na uraz. Obecna medycyna regeneracyjna do naprawy ścięgien jak dotąd nie odtworzyła natywnego środowiska komórek ścięgien, co ostatecznie ogranicza ich potencjał terapeutyczny.
Kierowany przez dr Marca Fernandeza-Yague, który ukończył studia doktoranckie jako badacz w CÚRAM na Uniwersytecie w Galway, zespół badawczy skupił się na zrozumieniu, w jaki sposób sygnały elektryczne i mechaniczne współpracują ze sobą w celu kontrolowania funkcji komórek ścięgien. Tradycyjnie, komórki ścięgien są niezwykle trudne do hodowli w laboratorium, ponieważ szybko i nieodwracalnie tracą swoje funkcje podobne do ścięgien po wyizolowaniu z organizmu.
Aby sprostać tym wyzwaniom, zespół opracował nowe urządzenie do hodowli komórek – „tympaniczny piezoelektryczny bioreaktor”, który działa podobnie do ludzkiej błony bębenkowej i który dostarczał komórkom ścięgien wibracje mechaniczne i bodźce elektryczne.
Ta podwójna stymulacja spowodowała, że komórki lepiej zachowały swoje zdrowe, specyficzne dla ścięgien właściwości, a jednocześnie zostały rozszerzone w laboratorium, co pozwoliło na ich wykorzystanie w metodach naprawy i regeneracji tkanek.
Dr Fernandez-Yague powiedział: “Nasza praca jest oparta na głębokim zrozumieniu tego, w jaki sposób komórki wyczuwają i wchodzą w interakcje ze swoim środowiskiem. Do tej pory komórki ścięgien były hodowane w laboratorium w specjalistycznym urządzeniu, które rozciągało je w celu naśladowania efektów ruchu ciała. Podejście to pomija jednak fakt, że tkanki ścięgien są piezoelektryczne – generują sygnały elektryczne pod wpływem naprężeń mechanicznych. W ramach naszego projektu badawczego opracowano dynamiczne systemy stymulacji elektryczno-mechanicznej, które dostarczają komórkom określonych sygnałów potrzebnych do skutecznego kierowania ich rozwojem, odtwarzając w ten sposób kluczowe warunki środowiskowe obserwowane podczas normalnego tworzenia i naprawy tkanek”.
Dr Manus Biggs, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie w Galway i główny badacz badania, przedstawił szersze implikacje badań: „Podczas gdy nasze podejście wykazuje ogromny potencjał do ostatecznego wzrostu tkanek ścięgien w laboratorium, ma ono również znaczące implikacje dla generowania innych tkanek, które reagują na podwójne siły elektryczne i mechaniczne, takie jak chrząstka, kość, a nawet tkanki sercowo-naczyniowe. Badanie to otwiera nowe możliwości rozwoju terapii, które promują wzmocnienie tkanek i oferują alternatywne lub uzupełniające strategie dla obecnych metod rehabilitacji fizycznej.
„Rozumiemy, że tradycyjne terapie układu mięśniowo-szkieletowego często opierają się na fizykoterapii, która dostarcza sygnały mechaniczne do komórek regenerujących się tkanek. W przeciwieństwie do tego, włączenie stymulacji elektrycznej zapewnia większą precyzję w kontrolowaniu reakcji komórek, oferując bardziej skuteczne podejście do zastosowań w medycynie regeneracyjnej. Co ważne, piezoelektryczność ścięgien od dawna wskazywała na ich funkcje fizjologiczne. Niniejsze badanie jest jednym z pierwszych tego rodzaju, które pokazuje, że sygnały piezoelektryczne mogą regulować różnicowanie i rozwój komórek”.
Źródło: Advanced Science (A Tympanic Piezo-Bioreactor Modulates Ion Channel-Associated Mechanosignaling to Stabilize Phenotype and Promote Tenogenesis in Human Tendon-Derived Cells.), University of Galway, fot. Adobe
