Uraz ścięgna jest jedną z najczęstszych przyczyn znacznego bólu i zaniku mięśni u różnych gatunków1. W medycynie weterynaryjnej urazy ścięgien i więzadeł są szczególnie interesujące u koni, ponieważ 82% wszystkich urazów u koni wyścigowych dotyczy układu mięśniowo-szkieletowego, a 46% z nich dotyczy ścięgien i więzadeł2,3. Tworzenie się tkanki bliznowatej wpływa na właściwości biomechaniczne wyleczonych ścięgien i wyjaśnia ostrożne rokowanie dotyczące powrotu do użytku sportowego po urazach ścięgien zginaczy; Ponowna kontuzja występuje w ciągu 2 lat u 67% koni leczonych zachowawczo4. Medycyna regeneracyjna dostarcza nowatorskich alternatyw dla schorzenia, które stanowi wyzwanie dla tradycyjnych metod leczenia. Terapia autologicznymi komórkami macierzystymi przyniosła zachęcające wyniki5,6 ale jest ograniczona przez zachorowalność związaną z pobraniem tkanek, opóźnione podawanie z powodu przetwarzania/przeprogramowania komórek oraz wpływ stanu zdrowia pacjenta (np. wieku) na właściwości komórek macierzystych7,8. Ograniczenia te stanowią uzasadnienie dla badań nad allogenicznymi komórkami macierzystymi jako gotową alternatywą. Komórki pochodzące z przydatków płodowych są atrakcyjnymi kandydatami, ponieważ omijają obawy etyczne i ryzyko powstania potworniaka związane z embrionalnymi komórkami macierzystymi. Wśród przydatków płodu macierz pępowiny (UCM), zwana również galaretką Whartona, jest obfita i łatwa do zebrania.
Niezależnie od źródła komórek, poprawa macierzystej jest niezbędna do stworzenia banku komórek dla allogenicznej medycyny regeneracyjnej. Z funkcjonalnego punktu widzenia, stem można zdefiniować jako potencjał do samoodnawiania się i różnicowania wieloliniowego9. Dowody na pochodzenie opierają się na testach proliferacji i różnicowania, wraz z ekspresją markerów genowych Oct4, Sox2 i Nanog9. Jedna ze strategii mających na celu zwiększenie macierzystej łodygi opiera się na wykorzystaniu biomateriałów, które służą jako wypełniacze pustych przestrzeni i nośniki, zwiększając proliferację i różnicowanie UCM-MSC. Takie podejście eliminuje obawy związane z manipulacją czynnikami transkrypcyjnymi w celu przeprogramowania dojrzałych komórek w indukowane komórki pluripotencjalne. Wśród biomateriałów uważanych za potencjalne nośniki komórek macierzystych, chitozan jest atrakcyjny ze względu na swoją biokompatybilność i degradowalność10. Ten naturalny aminopolisacharyd powstaje w wyniku alkalicznej deacetylacji chityny, drugiego najobficiej występującego naturalnego polisacharydu, otrzymywanego głównie jako produkt uboczny skorupiaków10. Wcześniej badaliśmy interakcje między MSCs a rusztowaniami chitozanowymi i obserwowaliśmy powstawanie sferoidów11,12,13,14,15,16. Informowaliśmy również o wyższości chondrogenezy chondrogenezy w matrycach chitozanu12,13,14,15,16,17,18. Niedawno dwa niezależne badania opisały powstawanie sferoid przez MSCs pochodzące z tkanki tłuszczowej i tkanki łożyska, hodowane na folii chitozanowej 19,20. To tworzenie sferoid nie tylko zwiększyło zdolność macierzystą, ale także poprawiło retencję komórek macierzystych po implantacji in vivo20.
Rozpowszechnienie i chorobowość tendinopatii u różnych gatunków skłoniły do opracowania eksperymentalnych modeli do badania patofizjologii tendinopatii i testowania nowych terapii, takich jak zastrzyki z komórek macierzystych. U koni zapalenie ścięgien wywołane kolagenazą jest powszechnym modelem wykazującym skuteczność przy użyciu MSCs w naprawie ścięgien21. Znaczenie tego podejścia jest ograniczone, ponieważ zastrzyki powodują ostre zmiany zapalne, podczas gdy tendinopatie kliniczne zwykle wynikają z przewlekłego przeciążenia22,23. Ponadto, chemiczna indukcja choroby ścięgien indukuje reakcję gojenia i nie replikuje upośledzonego procesu gojenia obecnego w przypadkach klinicznych22,23. Wycięcie odcinka ścięgna zginacza powierzchownego palca zostało opisane jako chirurgiczny model zapalenia ścięgien u koni24. Niedawno zastosowano podejście minimalnie inwazyjne w celu ograniczenia urazowego uszkodzenia centralnego rdzenia powierzchownego ścięgna zginacza cyfrowego 25. Modele chirurgiczne nie symulują mechanizmu zmęczenia, który może prowadzić do naturalnej choroby ścięgien i zwykle nie są odtwarzalne w zakresie tworzonych uszkodzeń25. Niezależnie od modelu, zachorowalność i koszty związane z modelami chorób ścięgien koni są dodatkowymi ograniczeniami, które uzasadniają zainteresowanie modelami gryzoni jako pierwszym krokiem do oceny in vivo nowych terapii.
Jedną z głównych zalet modeli eksperymentalnych na gryzoniach jest koszt i możliwość kontrolowania zmienności międzyosobniczej. Gryzonie można standaryzować pod względem różnych czynników fizjologicznych ze względu na ich szybkie tempo wzrostu i stosunkowo krótką żywotność, co ogranicza źródła zmienności, a tym samym zmniejsza liczbę zwierząt potrzebnych do wykrycia różnic. Strategie wywoływania chorób ścięgien u gryzoni opierały się na indukcji chemicznej, ale także na chirurgicznym tworzeniu częściowych wad ścięgien21. Modele chirurgiczne mogą symulować naturalne tendinopatie lepiej niż modele chemiczne, ale mogą prowadzić do większej zachorowalności i katastrofalnej niewydolności uszkodzonego ścięgna. Pod tym względem szczury wydają się lepszymi kandydatami na te modele niż myszy, ponieważ ich rozmiar pozwala na tworzenie większych defektów, ułatwiając w ten sposób ocenę gojenia się tkanek. Szczury Sprague-Dawley zostały wykorzystane w eksperymentalnych badaniach tendinopatii w czterech głównych grupach ścięgien: stożek rotatorów, zginacz, ścięgno Achillesa i ścięgna rzepki26. Wśród nich szczególnie atrakcyjne są modele obejmujące ścięgno rzepki ze względu na większy rozmiar tego ścięgna i łatwość dostępu do niego27. Ścięgno rzepki przyczepia mięsień czworogłowy uda do guzowatości piszczelowej. W tym mechanizmie prostownika rzepka jest kością trzeszczkową, która kieruje działaniem mięśnia czworogłowego uda i wyznacza proksymalny zakres ścięgna rzepki. Obecność kotwic kostnych w bliższym i dalszym zasięgu ścięgna rzepki ułatwia badania biomechaniczne. Modele obejmujące ścięgno rzepki zazwyczaj opierają się na jednostronnych wadach chirurgicznych, z nienaruszonym ścięgnem przeciwległym służącym jako kontrola28,29. Najczęstszy model ubytku ścięgna rzepki polega na wycięciu środkowej części (1 mm szerokości) ścięgna rzepki od dystalnego wierzchołka rzepki do przyczepu guzowatości piszczelowej, podczas gdy przeciwległe ścięgno rzepki pozostawia się nienaruszone. Miary wyników obejmowały histologię, nieniszczące badania biomechaniczne lub testy biomechaniczne do awarii, obrazowanie ultrasonograficzne, obrazowanie fluorescencyjne ex vivo, obserwację ogólną i testy funkcjonalne28,30,31. Modele jednostronne nie pozwalają na porównanie proponowanego leczenia z zachowawczym leczeniem podobnego urazu u tego samego zwierzęcia. Podobnie, porównanie między kilkoma zabiegami wymaga oddzielnych zwierząt. Model dwustronny wyeliminowałby różnice między osobnikami i zmniejszyłby liczbę zwierząt wymaganych do badania32. Jednak obustronne urazy mogą zwiększać zachorowalność, a obustronna kulawizna może utrudniać ocenę leczenia. Kilka badań pokrótce donosi o zastosowaniu obustronnych wad ścięgna rzepki u szczurów, ale koncentrują się na efektach leczenia, a nie na leczeniu okołooperacyjnym i zachorowalności modelu33,34.
Długoterminowym celem tego badania jest opracowanie strategii poprawy zdolności macierzystej i przeżywalności in vivo UCM-MSC przeznaczonych do przeszczepu allogenicznego. Aby osiągnąć ten cel, niedawno informowaliśmy o poprawie macierzystej UCM-MSCs poprzez tworzenie sferoid na folii chitozanu i inkubację w środowisku niedotlenionym35. Te właściwości in vitro były związane z poprawą właściwości biomechanicznych ubytków ścięgna rzepki leczonych kondycjonowanymi UCM-MSC. Opierając się na tych wynikach, model obustronnego ubytku ścięgna rzepki u szczura wydaje się odpowiedni do testowania potencjalnych metod leczenia urazów ścięgien36. Celem opisywanego tutaj badania jest dostarczenie szczegółowych protokołów izolacji i charakterystyki UCM-MSC, przygotowania biologicznego systemu dostarczania komórek macierzystych, tworzenia i leczenia obustronnych ubytków ścięgna rzepki oraz rekonwalescencji pooperacyjnej i oceny gojenia się tkanek w obrębie ubytków.