Опубликованные в журнале Science Advances, исследователи разработали новый биоматериал, который они назвали деминерализованной костной бумагой. В команду входят Чону Ли, Юнкук Парк, Райан Карпентер, химическая инженерия; Юджин Чеонг, биохимия и микробиология; Джун-Гу Квак, аспирантура по молекулярной и клеточной биологии; и Дже-Хёк Шим из Медицинской школы UMass в Вустере.
Команда разработала модель органоида губчатой кости, которая воспроизводит существенную внеклеточную сложность и клеточные процессы полостей губчатой кости.
Трабекулярная кость, или губчатая кость, представляет собой легкую пористую кость, в которой находятся многочисленные большие пространства, которые придают сотовый или губчатый вид. Трабекулярные кости являются «амортизаторами» тела, передавая механические нагрузки с суставной поверхности на кортикальную кость. В этих костях меньше кальция и больше костного мозга по сравнению с кортикальной костью. Плотность губчатой кости снижается с возрастом.
«Кость – это многофункциональная ткань, которая не только поддерживает механическую стабильность, но также регулирует кроветворение и содержание минералов в крови», – говорит Ли. "Однако изучение биологии ремоделирования кости является сложной задачей, поскольку этот процесс происходит внутри костной полости. Твердая и непрозрачная костная ткань труднодоступна, поэтому создание реалистичных моделей костной ткани вне тела продвинет наше понимание фундаментальной биологии костей, а также предоставит новые возможности для моделирования прогрессирования заболевания и скрининга лекарственной реакции."
Ремоделирование кости – это продолжающийся всю жизнь процесс, в ходе которого зрелая костная ткань удаляется из скелета и образуется новая костная ткань. Эти процессы также контролируют замену кости после травмы и микроповреждения, возникающие при нормальной повседневной активности.
Развитие костей происходит послойно, поскольку первые костеобразующие клетки откладывают структурный коллаген, который, в свою очередь, минерализуется, превращаясь в твердую кость. Этот процесс повторяется для реконструкции и моделирования костной ткани на протяжении всей жизни.
Ученые Университета Массачусетса взяли бычьи кости с местной бойни, затем очистили их и разрезали на небольшие куски, которые они деминерализовали в ходе химического процесса.
Чтобы воспроизвести процесс ремоделирования кости, команда разработала новый биоматериал, деминерализованную костную бумагу, которая имитирует плотную структурную матрицу с тонкими срезами деминерализованной компактной кости крупного рогатого скота. Этот материал имеет контролируемую толщину и площадь поверхности. Он механически прочен и полупрозрачен, а также.
Деминерализованная костная бумага поддерживает отростки остеобластов и остеокластов, которые представляют собой клетки, которые находятся и функционируют исключительно на поверхности кости.
Остеокласты отвечают за резорбцию старой кости, а остеобласты отвечают за образование новой кости.
Костная бумага служит функциональным шаблоном, на котором остеобласты быстро откладывают структурные минералы, руководствуясь пластинчатой структурой плотного коллагена, и образуют остеоидную кость, имеющую глубину, аналогичную той, которая наблюдается в живом организме.
Полупрозрачность материала позволяет отслеживать текущие клеточные процессы с помощью флуоресцентной микроскопии, он тонкий, но достаточно прочный, чтобы с ним легко обращаться. Костную бумагу можно производить в больших количествах – команде удалось произвести более 5000 штук из одной бедренной кости крупного рогатого скота.
Ёнкук Пак, первый автор, говорит, что модель губчатой кости можно гуманизировать для трансляционных исследований, заменив бычьи кости.
Гуманизированные модели губчатой кости могут улучшить предсказательную силу доклинических исследований и сократить период скрининга препаратов от остеопороза. Это также может помочь исследователям облегчить будущее изучение многочисленных аспектов биологии костей.