$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
סחוס חיוני לשימור היכולת המכאנית של מערכת השלד על ידי יצירת משטח ללא חיכוך בין העצמות במפרקים דיארתרודיאליים, ובכך מונעת סחיפה של פני המפרקים1. היכולת של הסחוס לבצע פונקציות מכניות תובעניות אלו תלויה במידה רבה בהרכב ובארגון הייחודיים של המטריצה החוץ-תאית שלו – במיוחד בתכולת המים הגבוהה במיוחד. המים ממלאים תפקיד מרכזי במבנה ובתפקוד הסחוס המפרקי, ומהווים כ-70-80% מהרכבם. המים הם האלמנט העיקרי האחראי לנשיאת העומס במהלך הדחיסה. יכולת הרקמה לעמוד בפני כוחות דחיסה תלויה באופן שבו המים בנויים ומוגבלים בתוך המטריצה. ארגון זה אפשרי באמצעות אינטראקציה של מים עם המקרומולקולות העיקריות של הסחוס, כגון קולגן ופרוטאוגליקנים, במיוחד אגרגטים הקשורים לחומצה היאלורונית1. אלה פועלים כמבני הכלה שמסדרים ומגבילים את תנועת המים. אינטראקציה זו מעניקה לרקמה לא רק נוקשות אלא גם עמידות ויכולת להתאושש לאחר עיוות. האינטראקציה בין מים חופשיים, מים קשורים למטריצה המקרומולקולרית מהווה את ליבת ההתנהגות הביומכאנית של הסחוס2.
למרות יכולתו המרשימה לתמוך ולהפיץ עומסים פיזיים ומכניים המגיעים למפרקים, לאחר הפציעה, לסחוס המפרקי (AC) יש פוטנציאל מוגבל לתיקון ספונטני בשל פעילות מיטוטית נמוכה של כונדרוציטים ומערכת כלי דם לקויה2. נזק למפרקים בדרך כלל קשור לאובדן הדרגתי של מולקולות וחלבונים של מטריצה חוץ-תאית (ECM), המהווים 95% מהרקמה, ומעניקים תכונות ביומכניות ל-AC3. חוסר איזון בין סינתזה לפירוק רכיבי ECM, המעבר לתהליכים קטבוליים, עלול לגרום לאוסטיאוארתריטיס (OA), מחלת מפרקים ניוונית הנפוצה ביותר בעולם. אוסטיאוארתריטיס משפיעה על כ-10-12% מהאוכלוסייה הבוגרת, גורמת לכאב, מגבילה את הניידות ומפחיתה באופן משמעותי את האוטונומיה שלהמטופלים. אוסטיאוארתריטיס נפוץ יותר באוכלוסיות מזדקנות בשל פגיעות מצטברות במפרק לאורך החיים; עם זאת, גורמי סיכון שונים נקשרו להופעת המצב הקליני, כגון מגדר, נטייה גנטית, השמנת יתרוהרגלים יומיומיים. עד כה, הגישות הטיפוליות לטיפול בדלקת מפרקים מוותית כללו ניהול קליני של תסמינים והחלפת מפרקים מלאהבמקרים החמורים ביותר. בהיעדר אסטרטגיה טיפולית חזקה, ניתנת לשחזור ואמינה לטיפול יעיל בדלקת מפרקים מוגזית, נחקרים גישות חדשניות להבנה ולטיפול בבעיות הקשורות לפגיעת סחוס מפרקים.
כדי לתקן, לשקם ולשפר את תנועת המפרקים במפרקים המפרקים, התקדמות ברפואה הרגנרטיבית הפכה לתקווה חדשה לשיקום AC 6,7 שנפגע. השימוש בכונדרוציטים אוטולוגיים בשילוב עם השתלת ECM והזרקה תוך-מפרקית של תאי גזע מייצג את המצב הנוכחי בתחום זה 8,9,10. האתגר המרכזי בגישות אלו הוא להבטיח התמיינות נכונה וסינתזת ECM פונקציונלית על ידי תאים מושתלים. כונדרוציטים אוטולוגיים נוטים ליצור סחוס פיברו או להתקדם למצב היפרטרופי, ויוצרים רקמה דיספונקציונלית חדשה שאינה משחזרת את התכונות הפיזיולוגיות של AC, מה שמוביל להחלמה לא מלאה ולעיתים להידרדרות מאוחרת11. חומרים ביולוגיים יכולים לשמש להכוונת התנהגות התאים במהלך התחדשות הרקמות, ולספק פיגום זמני לתאים להיצמד ולסנתז מטריצה חוץ-תאית חדשה, טבעית ותפקודית 12,13,14. הביוחומר האידיאלי להנדסת סחוס חייב להבטיח אינטגרציה חזקה עם הרקמות הסובבות, במיוחד עם עצם תת-כונדרלית, שכן כשל בממשק זה מסכן את התיקון לטווח ארוך. עם זאת, קשר חלש בין שכבות הסחוס לעצם של פיגומים אוסטאוכונדרליים ואינטגרציה לקויה עם רקמת המארח ממשיכים לאתגר מרכזי15. למרות שהפיגומים מנסים לחקות את הארכיטקטורה האוסטאוכונדרלית הטבעית, שחזור המיקרו-מבנה המורכב של הממשק עדיין קשה. דבר זה מחזק את חשיבות המחקר והפיתוח של פיגומים בעלי תכונות ביולוגיות שיכולות לתמוך בו-זמנית בהתחדשות סחוס ועצם תוך שמירה על יציבות הממשק16. ג'לטין, שמקורו בקולגן – רכיב מרכזי ברקמת הסחוס – בעל תכונות כמו מוטיבים של קישור תאים וביודגרדביליות, מה שמרמז על פוטנציאל שלו כחומר ביולוגי תומך בשילוב עם גורמים רגנרטיביים לטיפול בנגעים אוסטאוכונדרליים. כאשר עובר שינוי כימי עם מתאקריליק אנידריק ליצירת מתקרילואיל ג'לטין (GelMA), הוא הופך לפוטו-קרוס-קישור, ומאפשר הזרקה ופוטופולימריזציה במקום, מה שמגביר את היציבות המכנית ליישומים ברפואה רגנרטיבית17.
נגעים אוסטאוכונדרליים בעלי יכולת רגנרציה מוגבלת, מה שמייצג אתגר קליני. מחקרים פרה-קליניים המשתמשים במודלים של בעלי חיים גדולים לפציעות במפרק הברך הם חיוניים למחקר תרגומי משום שהם מאפשרים הערכה שיטתית של משתנים המשפיעים על מנגנוני המחלה והתוצאות הטיפוליות. מינים נפוצים כוללים חזירים, עזים, כלבים, סוסים וכבשים, שלכל אחד מהם יתרונות ומגבלות ייחודיים שיש לקחת בחשבון בתכנון ניסוי. יתרה מזאת, כל המינים הללו מציגים תיקון אנדוגני מוגבל של פגמים כונדרליים ואוסטאוכונדרליים, כפי שנצפה בבני אדם18. כדי להבטיח שמודלים אלו מנבאים תוצאות אנושיות, עליהם לשחזר פרמטרים רלוונטיים כגון אנטומיה, פיזיולוגיה ותכונות ביומכניות18. לשם השוואה, עובי הסחוס המפרקי האנושי בקונדילות הירך נע בין 1.8 ל-2 מ"מ19, וקוטר נגעי הסחוס הדורשים טיפול בדרך כלל הוא 10 מ"מ או יותרמ-20.
מודל החזיר מציע יתרונות למחקרי התחדשות סחוס ואוסטאוכונדרלית, שכן גודל המפרק, עובי הסחוס ודרישות נשיאת המשקל דומים מאוד לאלו שנצפו אצל בני אדם18. חלק מגזעי החזירים המיניאטוריים, כמו מיניפיג גטינגן, קלים לטיפול ומגיעים לבגרות שלדית בין גיל 18 ל-22 חודשים עד21. עובי הסחוס שלהם נע בין 1 ל-2 מ"מ, ופגמים של 6 עד 8 מ"מ יכולים להיווצר18. מאפייני העצם, כולל עובי טרבקולר, קצב התייצבות עצם וארגון סיבי קולגן, דומים לאלו של בני אדם22. עם זאת, למודל החזיר יש גם מגבלות: אפילו בגזעים מיניאטוריים, מפרק הברך (סטיפל) קטן יותר מאשר בבני אדם, מה שמגביל את יצירת פגמים ניסיוניים גדולים. יתרה מזאת, רוב המחקרים משתמשים בבעלי חיים שלדיים לא בוגרים בשל עלויות התחזוקה הנלוות, מה שעלול להעריך יתר על המידה את פוטנציאל התיקון23.
עזים מציגות אנטומיה של מפרקים, ביומכניקה ועובי סחוס בדומה לבני אדם24. הן אינן דורשות מתקנים מיוחדים, קלות לטיפול, והן יחסית זולות25. עובי סחוס העזים נע בין 0.8 ל-2.0 מ"מ, וגודל הפגם הקריטי המדווח ביותר הוא 6 מ"מ26. עם זאת, קיימת שונות משמעותית בעובי הסחוס בין גזעים, גדלים ומינים, מה שעלול להוביל לתוצאות לא עקביות27. יחס הסחוס לעצם התת-כינורית ומבנה עצם טרבקולר דומים גם הם לאלו של בני אדם28. הבגרות השלדית מתרחשת יחסית מאוחרת, בין 24 ל-36 חודשים בגיל29. מבחינה ביומכנית, ברך העז חווה לחצים במפרקים ועומסים מחזוריים כמו אצל בני אדם25, אם כי כיפוף הברך במהלך ההליכה גבוה יותר (50°-70° בעזים לעומת <30° בבני אדם), מה שמוביל לאזורי מגע מובחנים30. הבדל זה, בשילוב עם לחצים שיא גבוהים יותר, עשוי לתרום לתיקון סחוס פחות יעיל30.
מבין דגמי בעלי חיים גדולים, כלבים בולטים ביכולתם לסבול משטרי שיקום, שיתוק מפרקים ואימון להליכה על הליכון, שחייה ותרגילי נשיאת עומסמבוקרים. עובי הסחוס המפרקי נע בין 0.9 ל-1.3 מ"מ, וגודל הפגם הקריטי הוא כ-4 מ"מ, מה שמגביל את ההשוואה הישירה לדגםהאנושי 25. בגרות השלד מתרחשת בין 8.5 ל-13.7 חודשים בגיל31. אנטומית, הברך הכלבית שונה מהברך האנושית, והבדלים בביומכניקה, דפוסי העומס והבשלות בין גזעים מסבכים את הסקת התוצאות32. למרות ההבדלים האנטומיים הללו וגודל הפגם הקטן, המודל הכלבי נשאר בעל ערך למחקרים הכוללים פרוטוקולי שיקום או פתולוגיות סחוס ספונטניות הדומות לאלו שבבני אדם. עם זאת, השימוש בניסוי מוגבל על ידי שיקולים אתיים29.
מודל הסוסים הוא המודל הגדול ביותר הזמין לבעלי חיים למחקר תיקון סחוס, ומפתח באופן טבעי נגעים ודלקת אוסטיאוארתריס הקשורים לגיל או טראומה בדומה לאלו של בני אדם33. סוסים מציגים תכונות אנטומיות וביומכניות הדומות לבני אדם, כגון מפרק ברך זקוף, גודל מפרק גדול, עובי סחוס בין 2 ל-3 מ"מ קרוב יותר לברך מלאה בסחוס במהלך הליכת, וצפיפות מינרלים דומה לעצם34. בשלות השלד מתרחשת בין 24 ל-48 חודשים, וגדלי הפגמים הנבקרים בדרך כלל נעים בין 6 ל-20 מ"מ32,33. המגבלות כוללות עומס אנכי גבוה על מפרק החניקה של הסוסים במהלך תנועה, מה שחושף שתלים לכוחות גדולים יותר מאשר אצל בני אדם ומקשה על ריפוי ארוך טווח35. יתרה מזאת, עלויות הרכישה והתחזוקה גבוהות, ונדרשים מתקנים מיוחדים36.
כבשים משמשות רבות כמודל במחקרי תיקון סחוס בזכות זמינותן, אופיים השקט, סבילותן הטובה לניתוחי מפרקיםוקלות הטיפול שלהן. בגרות השלד בכבשים מושגת בדרך כלל בסביבות גיל 2-3שנים. בנוסף, הברך האוביני מדגימה דמיון אנטומי וביומכני למפרק הברך האנושי38. עובי הסחוס בקונדיל הפמורלי המדיאלי נע בין 0.7 ל-1.7 מ"מ, וצפיפות המינרלים של העצם ולחצי המגע דומים, אם כי שבר נפח העצם גבוה יותר בכבשים39. עקב עובי סחוס מופחת, פגמים מושרים לעיתים מתפשטים לעצם התת-כונדרית, מה שהופך מודל זה למתאים יותר למחקרים של פגם אוסטאוכונדרלי32. נגעים בקוטר 6 עד 8 מ"מ נוצרים בדרך כלל במקומות כמו הקונדילות הירך והטרוכלאה32. יתרה מזאת, מודל האובינים מציע יתרונות למחקרים דו-צדדיים, ומאפשר השוואה בין אתרים מטופלים לאתרים בקרה באותו בעל חיים, ובכך להפחית שונות הקשורה למארח, לשפר את העקביות והשחזור, ומפחית את מספר בעלי החיים הנדרשיםל-40. כל מודל מציג רמות שונות של דמיון לפיזיולוגיה ולביומכניקה האנושית. לכן, בחירת מודל צריכה לאזן בין רלוונטיות ביולוגית, היתכנות מעשית ושיקולים אתיים. במחקר הנוכחי, נכללו כבשים נקבות נטוליפריות בגיל 12 חודשים, שהוערכו במהלך תקופת האנסטרוס העונתית.
מחקר זה ביקש לעצב פרוטוקול יעיל ליצירת פגמים אוסטאוכונדרליים חריפים בבעלי חיים גדולים. הפרוטוקול כולל יצירת נגע אוסטאוכונדרלי בעובי מלא כדי להקים מודל המתאים למחקרי רפואה רגנרטיבית. בנוסף, יישום הידרוג'ל של GelMA נבחן כמדריך לריפוי רקמות וכשיטה פרוספקטיבית להעברת מולקולות ותאים רגנרטיביים. הפרוטוקול מפרט את ההליך הכירורגי ליצירת נגעים אוסטאוכונדרליים בסחוס מפרקי הברך של הכבש. הוא מותאם ליישומים שונים בהנדסת רקמות, כולל השראה לפציעות דומות במודלים אחרים של בעלי חיים גדולים לרפואה רגנרטיבית.