$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Хрящ необходим для сохранения механической компетентности скелетной системы, обеспечивая нетрение поверхности между костями в диатродиальных суставах, тем самым предотвращая эрозию суставнойповерхности 1. Способность хряща выполнять эти сложные механические функции во многом зависит от уникального состава и организации его внеклеточного матрикса — особенно от исключительно высокого содержания воды. Вода играет ключевую роль в структуре и функции суставного хряща, составляя примерно 70–80% его состава. Вода является основным элементом, отвечающим за несущую нагрузку во время сжатия. Способность ткани сопротивляться сжимающим силам зависит от того, как вода структурирована и ограничена внутри матрицы. Эта организация возможна благодаря взаимодействию воды с основными макромолекулами хряща, такими как коллаген и протеогликаны, особенно агрегаты, связанные с гиалуроновойкислотой 1. Они действуют как сдерживающие структуры, которые порядочают и ограничивают движение воды. Это взаимодействие обеспечивает ткани не только жёсткость, но и устойчивость и способность восстанавливаться после деформации. Взаимодействие между свободной водой, связанной водой и макромолекулярной матрицей составляет ядро биомеханического поведенияхряща 2.
Несмотря на выдающуюся способность поддерживать и распределять физические и механические нагрузки, достигающие суставов, после повреждения суставный хрящ (АК) имеет ограниченный потенциал для спонтанного восстановления из-за низкой митотической активности хондроцитов и плохой васкуляризациитканей 2. Повреждение суставов обычно связано с прогрессирующей потерей молекул и белков внеклеточного матрикса (ECM), которые составляют 95% ткани и придают биомеханические особенности AC3. Дисбаланс между синтезом и деградацией компонентов ЭКМ, смещающийся в сторону катаболических процессов, может привести к остеоартриту (ОА) — самому распространённому дегенеративному заболеванию суставов в мире. Остеоартрит поражает примерно 10–12% взрослого населения, вызывая боль, ограничивая подвижность и значительно снижая автономиюпациентов 4. Остеоартрит чаще встречается у пожилых популяций из-за накопленных повреждений на суставе в течение жизни; Однако с началом клинического состояния связаны различные факторы риска, такие как пол, генетическая предрасположенность, ожирение и повседневныепривычки 4. До сих пор терапевтические подходы к лечению ОА включали клиническое управление симптомами и тотальную замену суставов в самых тяжёлыхслучаях 5. Без надёжной, воспроизводимой и надежной терапевтической стратегии для эффективного лечения ОА изучаются инновационные подходы к пониманию и решению проблем, связанных с повреждением суставного хряща.
Для восстановления, регенерации и улучшения движения суставов при артрите прогресс в регенеративной медицине стал новой надеждой на восстановление повреждённого AC 6,7. Использование аутологичных хондроцитов в сочетании с имплантацией ЭКМ и внутрисуставной инъекцией стволовых клеток отражает современное состояние в этойобласти 8,9,10. Основная проблема этих подходов — обеспечение правильной дифференцировки и функционального синтеза ЭКМ имплантированными клетками. Аутологичные хондроциты, как правило, образуют фиброхрящ или прогрессируют в гипертрофическое состояние, создавая новую дисфункциональную ткань, которая не воспроизводит физиологические особенности АК, что приводит к неполному восстановлению и часто позднемуухудшению. Биоматериалы могут использоваться для управления поведением клеток во время регенерации тканей, обеспечивая временную основу для клеток для присоединения и синтеза нового, естественного и функционального внеклеточногоматрикса 12,13,14. Идеальный биоматериал для инженерии хряща должен обеспечивать прочную интеграцию с окружающими тканями, особенно с подхондральной костью, поскольку отказ на этом интерфейсе снижает долгосрочное восстановление. Однако слабая связь между хрящом и костным слоями остеохондральных каркасов и плохая интеграция с тканью хозяина остаются серьёзнымипроблемами 15. Хотя каркаси пытаются имитировать родную остеохондральную архитектуру, воспроизведение сложной микроструктуры интерфейса всё ещё сложно. Это подчёркивает важность исследований и разработки каркасов с биологическими свойствами, которые одновременно поддерживают регенерацию хряща и костей при сохранении стабильностиинтерфейса 16. Желатин, получаемый из коллагена — ключевого компонента хрящевой ткани — обладает такими свойствами, как клеточно-связывающие мотивы и биоразлагаемость, что свидетельствует о его потенциале как поддерживающего биоматериала в сочетании с регенеративными факторами для лечения остеохондральных поражений. При химической модификации с метакрилангидридом для получения желатинового метакрилоила (GelMA) он становится фотосшитым, что позволяет осуществлять инъекции и фотополимеризацию in situ, что повышает механическую стабильность для применений в регенеративноймедицине 17.
Остеохондральные поражения имеют ограниченную регенеративную способность, что представляет собой клиническую проблему. Доклинические исследования, использующие крупные животные модели травмы коленного сустава, являются необходимыми для трансляционных исследований, поскольку позволяют систематически оценивать переменные, влияющие на механизмы заболевания и терапевтические результаты. Часто используемые виды включают свиней, коз, собак, лошадей и овец, каждый из которых обладает определёнными преимуществами и ограничениями, которые необходимо учитывать при экспериментальной разработке. Кроме того, все эти виды демонстрируют ограниченное эндогенное восстановление хондральных и остеохондральных дефектов, как это наблюдалось у людей18. Чтобы эти модели предсказывали исходы для человека, они должны воспроизводить соответствующие параметры, такие как анатомия, физиология и биомеханическиесвойства 18. Для сравнения: толщина человеческого суставного хряща в бедренных мыщелках составляет от 1,8 до 2мм 19, а диаметр повреждений хряща, обычно требующих лечения, составляет 10 мм ибольше 20.
Модель свиньи предлагает преимущества для исследований регенерации хряща и остеохондра, поскольку размер сустава, толщина хряща и требования к несению веса очень похожи на наблюдаемые у людей18. Некоторые миниатюрные породы свиней, такие как гёттингенская мини-свинья, легко управляются и достигают скелетной зрелости в возрасте от 18 до 22 месяцев ввозрасте 21 года. Толщина хряща варьируется от 1 до 2 мм, а дефекты от 6 до 8 мм могутбыть созданы 18. Характеристики костей, включая толщину трабекуляров, скорость её размещения и организацию волокон коллагена, сопоставимы счеловеческими 22. Однако у модели свиней есть и ограничения: даже у миниатюрных пород коленный (штифленный) сустав меньше, чем у людей, что ограничивает появление крупных экспериментальных дефектов. Кроме того, большинство исследований используют скелетно незрелых животных из-за связанных с этим затрат на обслуживание, что может завысить потенциалремонта 23.
Козы обладают анатомией суставов, биомеханикой и толщиной хряща, как у людей24. Им не нужны специализированные условия, они просты в обращении и стоят относительнонедорого, 25. Толщина хряща козы варьируется от 0,8 до 2,0 мм, а наиболее сообщаемый критический размер дефекта — 6мм 26. Однако существует значительное различие толщины хряща между породами, размерами и полом, что может приводить к непоследовательнымрезультатам 27. Соотношение хресток и субхондральной кости и трабекулярная костная структура также сопоставимы счеловеческими 28. Скелетная зрелость наступает относительно поздно — в возрасте от 24 до 36 месяцев ввозрасте 29 лет. С биомеханической точки зрения, коленное колено козы испытывает давление в суставах и циклические нагрузки, подобныечеловеческим 25, хотя сгибание колена во время походки выше (50°-70° у коз против <30° у людей), что приводит к чётким контактнымзонам 30. Эта разница, в сочетании с более высоким пиковым давлением, может способствовать снижению эффективности восстановленияхряща 30.
Среди крупных животных собаки выделяются способностью переносить реабилитационные процедуры, иммобилизацию суставов и тренировки к ходьбе на беговой дорожке, плаванию и контролируемым упражнениям на несущуюнагрузку 18. Толщина суставного хряща варьируется от 0,9 до 1,3 мм, а критический размер дефекта составляет примерно 4 мм, что ограничивает прямое сравнение с человеческоймоделью 25. Скелетная зрелость достигается в период от 8,5 до 13,7 месяцев ввозрасте 31 года. Анатомически собачье колено отличается от человеческого, а вариации биомеханики, нагрузочных паттернов и зрелости между породами усложняют экстраполяциюрезультатов 32. Несмотря на эти анатомические различия и небольшой размер дефекта, модель собак остаётся ценной для исследований, включая реабилитационные протоколы или спонтанные патологии хряща, похожие на человеческие. Однако его экспериментальное использование ограничено этическимисоображениями 29.
Модель лошадей является крупнейшей из доступных животных моделей для исследований восстановления хряща и естественным образом развивает возрастные или травматичные хондральные поражения и остеоартрит, аналогичные тем, что у людей33. Лошади обладают анатомическими и биомеханическими особенностями, сопоставимыми с человеческими, такими как вертикальный коленный сустав, большой размер суставов, толщина хряща от 2 до 3 мм — ближе к человеческому хрящу при полном разгибании колена во время походки, а также сопоставимая минеральная плотностькостей 34. Созревание скелета происходит в период от 24 до 48 месяцев, а обычно изучаемые размеры дефектов варьируются от 6 до 20мм 32,33. К ограничениям относятся высокая вертикальная нагрузка на сустав лошадиного сустава во время передвижения, что подвергает импланты воздействию больших сил, чем у людей, и затрудняет длительноезаживление 35. Кроме того, затраты на приобретение и обслуживание высоки, и требуется специализированныеобъекты 36.
Овцы широко используются в качестве моделей в исследованиях восстановления хряща благодаря их доступности, спокойному характеру, хорошей переносимости к операциям на суставах и простоте обращения37. Скелетная зрелость овец обычно достигается примерно в 2–3 года ввозрасте 25 лет. Кроме того, овино колено проявляет анатомические и биомеханические сходства с человеческимколенным суставом 38. Толщина хряща в медиальном бедровом мыщелке варьируется от 0,7 до 1,7 мм, а плотность минералов костей и контактное давление также сопоставимы, хотя доля объёма костей выше уовец 39. Из-за уменьшения толщины хряща индуцированные дефекты часто распространяются в подхондральную кость, что делает эту модель более подходящей для исследований остеохондральныхдефектов 32. Поражения диаметром от 6 до 8 мм обычно образуются в таких местах, как мыщелки бедра итрохлея 32. Кроме того, модель овец даёт преимущества для двусторонних исследований, позволяя сравнивать обработанные и контрольные участки внутри одного и того же животного, что снижает вариабельность, связанную с хозяином, улучшает согласованность и воспроизводимость, а также минимизируя количество животных, требуемых40. Каждая модель обладает разной степенью сходства с физиологией и биомеханикой человека. Поэтому выбор модели должен балансировать между биологической значимостью, практической осуществимостью и этическими соображениями. В настоящем исследовании были включены неплодородящие самки овец в возрасте 12 месяцев, оцениваемые в период сезонного анеструса.
В этом исследовании было направлено разработать эффективный протокол для создания острых остеохондральных дефектов у крупных животных. Протокол предполагает создание остеохондрального поражения всей толщины для создания модели, подходящей для исследований регенеративной медицины. Кроме того, рассматривается применение гидрогеля GelMA как ориентир для восстановления тканей и перспективный способ доставки регенеративных молекул и клеток. Протокол описывает хирургическую процедуру создания остеохондральных поражений в суставном хряще колена овцы. Он адаптирован к различным приложениям в области тканевой инженерии, включая индукцию аналогичных повреждений в других крупных животных моделях регенеративной медицины.