$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Kıkırdak, diartrod eklemlerdeki kemikler arasında sürtünmesiz bir yüzey sağlayarak iskelet sisteminin mekanik yeterliliğini korumak için gereklidir ve böylece eklem yüzeyi erozyonuönlenir. Kıkırdakların bu zorlu mekanik işlevleri yerine getirebilme yeteneği, özellikle olağanüstü yüksek su içeriğine - hücre dışı matriksinin benzersiz yapısı ve düzenine bağlıdır. Su, eklem kıkırdaklarının yapısında ve işlevinde kritik bir rol oynar ve bileşiminin yaklaşık %70-80'ini oluşturur. Su, sıkıştırma sırasında yük taşımaktan sorumlu birincil elementtir. Dokunun baskı kuvvetlerine karşı direnç gösterme yeteneği, suyun matriks içindeki yapılandırılışına ve kısıtlanmasına bağlıdır. Bu organizasyon, suyun kıkırdak ana makromolekülleri, örneğin kolajen ve proteoglikanlar, özellikle hyaluronik asitle bağlıagregalar 1 ile etkileşimi yoluyla mümkündür. Bunlar, su hareketini düzenleyen ve sınırlayan bir tutma yapısı olarak görev yapar. Bu etkileşim, dokuya sadece sertlik kazandırmakla kalmaz, aynı zamanda dayanıklılık ve deformasyon sonrası iyileşme yeteneği de sağlar. Serbest su, bağlı su ve makromoleküler matriks arasındaki etkileşim, kıkırdak biyomekanik davranışının çekirdeğinioluşturur 2.
Eklemlere ulaşan fiziksel ve mekanik yükleri destekleme ve dağıtma konusundaki olağanüstü yeteneğine rağmen, yaralandıktan sonra eklem kıkırdak (AC), düşük kondrosit mitotik aktivitesi ve zayıf doku vaskülerleşmesi nedeniyle spontan onarım potansiyeli sınırlıdır2. Eklem hasarı genellikle doku %95'ini oluşturan ekstraselüler matriks (ECM) molekülleri ve proteinlerinin kademeli olarak kaybıyla ilişkilidir ve AC3'e biyomekanik özellikler kazandırır. ECM bileşenlerinin sentezi ve bozulması arasındaki dengesizlik, katabolik süreçlere kaymak, dünya genelinde en yaygın dejeneratif eklem hastalığı olan osteoartrit'e (OA) yol açabilir. Osteoartrit yetişkin nüfusun yaklaşık %10-12'sini etkiler, ağrıya yol açar, hareket kabiliyetini kısıtlar ve hastaların özerkliğini belirgin şekilde azaltır4. Osteoartrit, yaşlanan popülasyonlarda eklemde bir ömür boyunca birikmiş hakaretler nedeniyle daha yaygındır; Ancak, cinsiyet, genetik yatkınlık, obezite ve günlük alışkanlıklar gibi çeşitli risk faktörleri klinik durumun başlangıcıylailişkilendirilmiştir 4. Şimdiye kadar, OA tedavisinde terapötik yaklaşımlar en ağır vakalarda klinik semptomlar yönetimi ve tam eklem protezindenoluşuyordu 5. OA'yı etkili şekilde tedavi etmek için sağlam, tekrarlanabilir ve güvenilir bir terapötik strateji olmadan, eklem kıkırdak yaralanmasıyla ilgili sorunları anlamak ve ele almak için yenilikçi yaklaşımlar incelenmektedir.
Artritik eklemlerde eklem hareketini onarmak, yenilemek ve artırmak için, yenileyici tıptaki ilerleme, hasarlı AC 6,7'nin onarılması için yeni bir umut olarak ortaya çıkmıştır. Otolog kondrositlerin ECM implantasyonu ve kök hücrelerin eklem içi enjeksiyonu ile birleşen kullanımı, bu alandaki güncel en sonteknolojiyi temsil etmektedir 8,9,10. Bu yaklaşımların temel zorluğu, implante edilmiş hücreler tarafından uygun farklılaşma ve fonksiyonel ECM sentezinin sağlanmasıdır. Otolog kondrositler fibrokıkırdak oluşturma eğiliminde veya hipertrofik bir duruma ilerler; bu da AC'nin fizyolojik özelliklerini tekrarlamayan yeni işlevsiz dokular oluşturur; bu da tam iyileşmeye ve genellikle geç bozulmaya yolaçar. Biyomalzemeler, doku yenilenmesi sırasında hücre davranışını yönlendirmek için kullanılabilir; bu da hücrelerin yeni, doğal ve işlevsel ekstrasellülermatriks 12,13,14'ün yapışması ve sentezlenmesi için geçici bir iskelet sağlar. Kıkırdak mühendisliği için ideal biyomateryal, özellikle subkondral kemik olmak üzere çevredeki dokularla güçlü entegrasyonu sağlamalıdır; çünkü bu arayüzdeki arıza uzun vadeli onarımı tehlikeye atar. Ancak, osteokondral iskelelerin kıkırdak ve kemik katmanları arasındaki zayıf bağlar ve konak dokusuyla zayıf entegrasyon büyük zorluklar olarak kalmaktadır15. İskeleler doğal osteokondral mimariyi taklit etmeye çalışsa da, karmaşık arayüz mikroyapısını yeniden üretmek hâlâ zordur. Bu, kıkırdak ve kemik yenilenmesini aynı anda destekleyebilecek ve arayüz stabilitesini koruyabilen biyolojik özelliklere sahip iskelelerin araştırma ve geliştirilmesininönemini pekiştiriyor 16. Kıkırdak dokusunun önemli bir bileşeni olan kolajenden türetilen jelatin, hücre bağlama motifleri ve biyoparçalanabilirlik gibi özelliklere sahiptir; bu da osteokondral lezyonların tedavisinde rejeneratif faktörlerle birleştiğinde destekleyici bir biyomateryal potansiyelini gösterir. Metakrilik anhidrit ile kimyasal olarak modifiye edildiğinde jelatin metakriloyl (GelMA) oluşturulduğunda, foto-çapraz bağlanabilir hale gelir; enjeksiyon ve yerinde fotopolimerizasyonu mümkün kılarak rejeneratif tıbbda uygulamalar için mekanik stabiliteyiartırır 17.
Osteokondral lezyonların rejeneratif kapasitesi sınırlıdır ve bu da klinik bir zorluk teşkil eder. Diz eklemi yaralanmasının büyük hayvan modellerini kullanan preklinik araştırmalar, hastalık mekanizmalarını ve terapötik sonuçları etkileyen değişkenlerin sistematik olarak değerlendirilmesine olanak tanıdığı için translasyonel araştırmalar için gereklidir. Yaygın kullanılan türler arasında domuzlar, keçiler, köpekler, atlar ve koyunlar bulunur; her biri deneysel tasarımda dikkate alınması gereken özel avantajlar ve sınırlamalar sunar. Ayrıca, bu türlerin hepsi insanlarda gözlemlendiği gibi kondral ve osteokondral kusurların sınırlı endogen onarımınasahiptir 18. Bu modellerin insan sonuçlarını öngörmesini sağlamak için, anatomi, fizyoloji ve biyomekanik özellikler gibi ilgili parametreleri yenidenüretmelidirler 18. Karşılaştırma için, femoral kondillerdeki insan eklem kıkırdağının kalınlığı 1,8 ila 2 mm19 arasında değişir ve genellikle tedavi gerektiren kıkırdak lezyonlarının çapı 10 mm veya dahafazladır 20.
Domuz modeli, eklem boyutu, kıkırdak kalınlığı ve ağırlık taşıma gereksinimleri insanlarda gözlemlenenlere çok benzer olduğu için kıkırdak ve osteokondral rejenerasyon çalışmaları için avantajlarsunar 18. Göttingen minipig gibi bazı minyatür domuz ırkları kolayca kullanılır ve 18 ila 22 aylık21 yaş arasında iskelet olgunluğuna ulaşır. Kıkırdak kalınlığı 1 ila 2 mm arasında değişir ve 6 ila 8 mm arasında kusurlar oluşabilir18. Kemik özellikleri, trabeküler kalınlık, kemik apozisyon oranı ve kollajen lifi organizasyonu gibi insanlarınkiylekarşılaştırılabilir 22. Ancak domuz modelinin de sınırlamaları vardır: minyatür ırklarda bile diz (boğucu) eklem insanlara göre daha küçüktür, bu da büyük deneysel kusurların oluşmasını sınırlar. Ayrıca, çoğu çalışmada iskelet olarak olgunlaşmamış hayvanlar kullanılır; çünkü bakım maliyetleri onarım potansiyelini fazlatahmin edebilir 23.
Keçiler, insanlarınki gibi eklem anatomisi, biyomekanik ve kıkırdak kalınlığına sahiptir24. Özel tesisler gerektirmezler, kullanımı kolaydır ve nispeten uygunfiyatlıdırlar 25. Keçi kıkırdak kalınlığı 0,8 ila 2,0 mm arasında değişir ve en çok bildirilen kritik kusur boyutu 6 mm26'dır. Ancak, ırklar, boyutlar ve cinsiyetler arasında kıkırdak kalınlığında önemli farklılıklar vardır ve bu da tutarsız sonuçlara yol açabilir27. Kıkırdak-subkondral kemik oranı ve trabeküler kemik yapısı da insanlarınkiylekarşılaştırılabilir 28. İskelet olgunluğu nispeten geç olur, 24 ile 36 ayarasında, 29 yaşında. Biyomekanik açıdan, keçi dizinde insanlarda olduğu gibi eklem baskıları ve döngüselyükler yaşar 25, ancak yürüyüş sırasında diz fleksiyonu daha fazladır (keçilerde 50°-70°, insanlarda <30°), bu da belirgin temas alanlarıoluşturur 30. Bu fark, yüksek zirve basınçlarıyla birleşince, kıkırdak onarımının daha az verimliolmasına katkıda bulunabilir.
Büyük hayvan modelleri arasında köpekler, rehabilitasyon rejimlerine, eklemlerin hareketsizleştirilmesine ve koşu bandında yürüyüş, yüzme ve kontrollü yük taşıma egzersizlerine katlanma yetenekleriyle öneçıkar 18. Eklem kıkırdak kalınlığı 0,9 ila 1,3 mm arasında değişir ve kritik kusur boyutu yaklaşık 4 mm'dir; bu da insan modeli25 ile doğrudan karşılaştırmayı sınırlar. İskelet olgunluğu31 yaş arasında 8,5 ile 13,7 ay arasında gerçekleşir. Anatomik olarak, köpek dizi insan dizinden farklıdır ve ırklar arasında biyomekanik, yükleme kalıpları ve olgunluktaki farklılıklar sonuçların çıkarılmasınızorlaştırır32. Bu anatomik farklılıklara ve küçük kusur boyutuna rağmen, köpek modeli rehabilitasyon protokolleri veya insanlardakilere benzer spontan kıkırdak patolojileri gibi çalışmalar için değerli olmaya devam etmektedir. Ancak, deneysel kullanımı etik nedenlerlesınırlıdır 29.
At modeli, kıkırdak onarım araştırmaları için mevcut en büyük hayvan modelidir ve insanlardakilere benzer yaş veya travmaya bağlı kondral lezyonlar ve osteoartrit doğal olarakgeliştirir 33. Atlar, dik diz eklemi, büyük eklem büyüklüğü, kıkırdak kalınlığı 2 ila 3 mm arasında değişen kıkırdak kalınlığı (yürüyüş sırasında tam diz ekstantasyonu) ve karşılaştırılabilir kemik mineral yoğunluğu gibi anatomik ve biyomekanik özelliklere sahiptir. İskelet olgunluğu 24 ile 48 ay arasında gerçekleşir ve yaygın olarak incelenen defekt boyutları 6 ila 20 mm arasındadeğişir 32,33. Sınırlamalar arasında, hareket sırasında atların boğucu ekleminde yüksek dikey yük yer alır; bu da implantları insanlara göre daha fazla kuvvete maruz bırakır ve uzun vadeli iyileşmeyi engeller35. Ayrıca, satın alma ve bakım maliyetleri yüksektir ve özel tesisler gereklidir36.
Koyunlar, kullanılabilirlikleri, uysal mizacları, eklem cerrahisine iyi toleransları ve kolayca ele alınmaları nedeniyle kıkırdak onarım çalışmalarında yaygın olarak model olarak kullanılır37. Koyunlarda iskelet olgunluğu genellikle yaklaşık 2-3 yaşve 25 yaşlarında elde edilir. Ayrıca, dişin dizinde insan diz eklemine anatomik ve biyomekanikbenzerlikler gösterilir 38. Medial femoral kondilde kıkırdak kalınlığı 0,7 ila 1,7 mm arasında değişir ve kemik mineral yoğunluğu ile temas basınçları da karşılaştırılabilir, ancak kemik hacmi koyunlarda dahayüksektir. Kıkırdak kalınlığının azalması nedeniyle, indüklenen defektler genellikle subkondral kemiğe kadar uzanır ve bu modeli osteokondral defekt çalışmaları için daha uygunkılar 32. 6 ila 8 mm çapında lezyonlar genellikle femoral kondiller vetroklea 32 gibi yerlerde oluşur. Ayrıca, koşuk modeli çift taraflı çalışmalar için avantajlar sunar; aynı hayvan içindeki tedavi edilen ve kontrol alanlarının karşılaştırılmasına olanak tanır; böylece konakçı ile ilgili değişkenliği azaltır, tutarlılığı ve tekrarlanabilirliği artırır ve gereken hayvansayısını en aza indirir 40. Her model, insan fizyolojisi ve biyomekaniğine farklı derecelerde benzerlik sunar. Bu nedenle, model seçimi biyolojik önemi, pratik fizibilite ve etik hususları dengelemelidir. Mevcut çalışmada, mevsimsel anestrus döneminde değerlendirilen 12 aylık nulliparous dişi koyunlar dahil edilmiştir.
Bu çalışma, büyük hayvanlarda akut osteokondral kusurların oluşturulması için etkili bir protokol tasarlamayı amaçladı. Protokol, rejeneratif tıp çalışmalarına uygun bir model oluşturmak amacıyla tam kalınlıkta osteokondral bir lezyon oluşturulmasını içerir. Ayrıca, GelMA hidrojelinin kullanımı doku iyileşmesi için bir rehber ve rejeneratif moleküller ile hücrelerin iletilmesi için prospektif bir yöntem olarak araştırılmaktadır. Protokol, koyun dizindeki eklem kıkırdaklarında osteokondral lezyonların oluşturulması için cerrahi prosedürü özetlemektedir. Rejeneratif tıp için diğer büyük hayvan modellerinde benzer yaralanmaların indüklenmesi dahil olmak üzere çeşitli doku mühendisliği uygulamalarına uyarlanabilir.