6.615.3.3 całkowita wymiana krążka
istnieje podobieństwo między IVD a oponą: powietrze opony jest reprezentowane przez NP, a guma wzmocniona paskiem stalowym jest reprezentowana przez AF. Ponadto podobieństwo to można rozszerzyć również na naprawę IVD., W niektórych sytuacjach korzystne będzie uzupełnienie powietrza w oponie (wymiana jądrowa); w innych sytuacjach, jeden może być w stanie załatać dziurę w oponie (naprawa Af), a wreszcie, są chwile, kiedy cała opona musi zostać wymieniona (TDR). Jest to ostateczna sytuacja, w której przepuklina lub degeneracja AF jest na tyle zaawansowana, że jedyne podejście NP lub Af nie może być skuteczne. Z tego powodu TDR jest obecnie badany.,
Sztuczny TDR został niedawno wprowadzony do praktyki klinicznej w Stanach Zjednoczonych wraz z zatwierdzeniem przez FDA omawianego wcześniej urządzenia Charité w 2004 roku. Idea krążka kompozytowego opartego na tkankach została wprowadzona wraz z publikacją pierwszego krążka kompozytowego skonstruowanego w tkankach mniej więcej w tym samym czasie.Koncepcja zastąpienia całej IVD strukturą inżynierii tkankowej jest ambitna ze względu na złożoną strukturę IVD; jednak wczesne badania wykazały obiecujące właściwości ECM i mechaniczne z kompozytem PLA/PGA/alginat., Głównymi kryteriami projektowymi w opracowywaniu inżynierii tkankowej całkowitej wymiany dysku (te-TDR) są (1) projektowanie dysku, który może wytrzymać złożone mechaniczne obciążenie po wszczepieniu, (2) może odtworzyć mechaniczną funkcję IVD, (3) może zintegrować się z tkankami rodzimymi i (4) może przetrwać i rozwijać się w przestrzeni dyskowej pozbawionej składników odżywczych. Te kryteria projektowe są złożone i nawet konkurują., Opracowanie mechanicznie sztywnego dysku, zaprojektowanego tak, aby wytrzymać złożone obciążenie, prawdopodobnie będzie miało właściwości o niskiej przepuszczalności i może utrudnić uzyskanie wystarczającego transportu składników odżywczych w całym dysku w środowisku o niskiej zawartości składników odżywczych. Z drugiej strony, wysoce przepuszczalna tarcza, która może zapewnić lepszy transport składników odżywczych, będzie mniej sztywna i może mieć problemy z wytrzymaniem obciążeń mechanicznych. Obecnie nie wiadomo, jaka będzie właściwa równowaga tych konkurencyjnych właściwości w udanym te-TDR.,
do tej pory na TE-TDRs opublikowano tylko cztery projekty i pięć prac. Te te-TDRs obejmują kompozyt PGA/PLA (AF)/alginianu (np), 53,54 kompozyt elektrospun PLLA (Af)/kwasu hialuronowego (np), 82 kompozyt żelu kolagenowego (Af)/alginianu (np), 88 i kompozyt elektrospun PCL (AF)/agarozy (np).91 selekcją komórek dla tych konstrukcji były komórki IVD owiec, MSCS bydła lub MSCS ludzi. Wybór materiału dla każdej próby wykorzystał hydrożel dla NP, z tendencją do zwiększania hierarchicznej organizacji w regionie AF (Tabela 4).,
Tabela 4. Całkowita wymiana dysku
| Mizuno et al.53,54 | 82 | 92 | Nerurkar i in., ovine AF | AF – bovine MSC | |
|---|---|---|---|---|---|
| NP – ovine NP | NP – human MSC | NP – ovine NP | NP – bovine MSC | ||
| Organization | Composite disc | Composite disc with nanofibers of similar diameter to collagen | Composite disc with circumferentially aligned collagen fibrils in AF | Composite disc with multilamellar AF and alternating nanofiber alignment (±30°) |
The first TE-TDR to be attempted was the PGA/PLA/alginate composite., W ich odpowiednich rejonach płyty osadzono komórki NP i Af. Hydrożel alginianowy zapewniał środowisko podobne do NP, które zachowało zaokrągloną morfologię komórek NP po kapsułkowaniu. Region AF PGA / PLA dostarczył morfologii AF, ale nie zawierał żadnej organizacji właściwej dla rodzimego AF(Rysunek 4 (a)). Rusztowania były wszczepiane podskórnie w tył myszy athymicznej przez 4 miesiące i wytwarzały skład proteoglikanu podobny do składu rodzimego w AF i NP., Konstrukty produkowały kolagen do poziomu zbliżonego do rodzimego w AF, ale nie w NP, gdzie rozwinął 10% rodzimych wartości. Wytworzony kolagen został odpowiednio zlokalizowany ze zwiększonym kolagenem typu i w AF i typu II w NP. Ponadto właściwości mechaniczne ściskające były podobne do właściwości owiec rodzimych IVD. Ogólnie rzecz biorąc, badania te wykazały wykonalność opracowania TE-TDR, który naśladował właściwości kompozytowe i ściskające rodzimego IVD., Jednak z powodu braku organizacji i architektury w AF i braku testowania dysków w niczym innym niż kompresja, nie jest jasne, czy ta konstrukcja mogłaby naśladować właściwości skrętne i zginające natywnego IVD (patrz rozdział 5.509, hermetyzacja komórek).
Rysunek 4., Modyfikowane tkankowo całkowite zamienniki dysku za pomocą: a) pierścienia włóknistego pierścienia PGA/PLA (AF) i jądra miażdżystego alginianu (NP), b) wyrównanego obwodowo włókna kolagenowego AF i alginianu NP oraz c) wyrównanego elektrospunowo polikaprolaktonu AF i agarozy np.
druga próba wytworzenia te-TDR wykorzystującego elektrospun PLLA i kwas hialuronowy zasiane z ludzkich MSCs. Technika ta była podobna do poprzedniej próby, w której zastosowano niezaliczane rusztowanie regionalne AF i hydrożelowe rusztowanie NP., Jednak zastosowanie electrospun PLLA pozwoliło włókna mieć podobną średnicę do rodzimych włókien kolagenowych w regionie AF. Ponadto kwas hialuronowy został wstrzyknięty do electropsun PLLA, aby zwiększyć ciśnienie w regionie NP w rusztowaniu i umieścić włókna electrospun w napięciu podobnym do napięcia rodzimego AF. Ponadto, stosowanie ludzkich MSCs jest istotne ze względu na znaczenie kliniczne źródła komórkowego i zaczyna badać ich skuteczność w te-TDR.,
konstrukcje hodowano przez 28 dni in vitro, a komórki AF zorganizowały się w koncentryczne warstwy przypominające koncentryczne blaszki AF, podczas gdy np pozostała amorficzna w strukturze. Osadzanie proteoglikanów ECM było najbardziej rozpowszechnione w regionie AF z mniej wyraźnym osadzaniem w NP. Kolagen typu I I II miał również najwyższe stężenie w regionie AF, a najmniej obecne w regionie NP. Ten słaby rozwój tkanek w NP był prawdopodobnie spowodowany zmniejszoną zawartością komórek w regionie NP rusztowania po budowie., Ogólnie rzecz biorąc, electrospun PLLA wykazał obiecujące wyniki dla regionu AF i rozwoju tkanek; jednak nie przeprowadzono testów mechanicznych na tkance w celu zbadania mechanicznej funkcji takiego implantu i konieczne będzie przezwyciężenie niskiej gęstości komórkowej w NP w przyszłości.
W przeciwieństwie do dwóch pierwszych projektów TE-TDR, zakontraktowana konstrukcja żelu kolagenowego/alginianu była pierwszą, która wprowadziła wyrównanie kolagenu w regionie AF (Rysunek 4(b))., Technika ta wytworzyła alginianowy region NP zaszczepiony Owczymi komórkami np oraz region żelu kolagenowego typu i zaszczepiony Owczymi komórkami AF otaczającymi region NP. Podczas hodowli komórki kurczą sieć włókien kolagenowych wokół alginianu NP. W wyniku fizycznej granicy NP włókna kolagenowe ustawiły się obwodowo wokół alginianu NP. Ponadto komórki AF były wydłużone i wyrównane obwodowo między typ I włókien kolagenowych podobnych do rodzimych komórek AF, a komórki NP przybrały zaokrągloną morfologię podobną do rodzimego NP., Technika ta zapewnia metodę wytwarzania TE-TDR, która ma architekturę i organizację podobną do natywnej IVD w regionie AF i NP. Jednak pomimo obwodowego wyrównania włókien kolagenowych, technika obecnie nie potrafi uchwycić wyrównania kolagenu ±28° obserwowanego w kolejnych lamelach Af. Ponadto w tym badaniu nie przeprowadzono badań mechanicznych ani analizy składu ECM.
najnowszy te-TDR łączy poprzednie strategie, aby wyprodukować najbardziej złożony te-TDR do tej pory(Rysunek 4 (c))., Technika wykorzystuje electrospun PCL do produkcji wyrównanych włókien PCL pod kątem ±30° w każdej kolejnej lameli. Po raz kolejny odbywa się to wokół regionu hydrożelowego NP, który w tym przypadku był agarozą. Wybrane komórki były bydlęce MSCs ze względu na kliniczną obietnicę MSCs. Chodzi o to, że złożona Architektura włókien PCL doprowadzi do zorganizowanego rozwoju kolagenu z takim samym wyrównaniem oryginalnego rusztowania.
Po 6 tygodniach hodowli obserwowano produkcję kolagenu i proteoglikanu zarówno w regionie AF, jak i NP., Zaobserwowano, że zarówno komórki AF, jak i produkcja kolagenu były zorganizowane w kierunku ±30° bazowego rusztowania PCL. Pomimo osadzania się ECM w czasie hodowli, wartości dla proteoglikanów wynosiły<32% wartości natywnych zarówno w AF i NP i stanowiły 5% wartości natywnych dla kolagenu w AF. Wartości kolagenu były podobne między natywnym a TE-TDR w NP. Jak widać, technika używania wyrównanych włókien elektrospunowych pomaga promować organizację kolagenu podobną do rodzimego AF., Ważne będzie jednak zbadanie, w jaki sposób promować większy rozwój ECM do rodzimych poziomów wartości w tych rusztowaniach.
rozwój tych strategii te-TDR okazał się początkową obietnicą w promowaniu różnych poziomów składu i organizacji ECM podobnych do rodzimego IVD. Jednak pomimo tendencji do zwiększania organizacji AF i skupienia się na właściwościach mechanicznych tych implantów, obecnie nie wiadomo, co jest potrzebne do udanej implementacji takiego urządzenia w rodzimej przestrzeni dyskowej., Mniej uwagi poświęca się innym parametrom konstrukcyjnym, takim jak przepuszczalność tych rusztowań, właściwość, która może okazać się niezwykle ważna w ograniczonym środowisku odżywczym przestrzeni dyskowej. Lepsze zrozumienie, jak te-TDRs reagują w rodzimym środowisku dysku, będzie konieczne, aby rozpoznać, jaka jest właściwa równowaga właściwości rusztowania, która będzie promować pomyślny rozwój tkanek i prawidłowe funkcjonowanie kręgosłupa. Implanty te będą musiały wytrzymać obciążenia mechaniczne, przetrwać i rozwijać, i zintegrować z rodzimej tkanki raz wszczepione.,
ostatnie prace rozpoczęły się w celu rozwiązania tych pytań in situ za pomocą zakontraktowanego żelu kolagenowego / alginianu TE-TDR.Te-TDRs zostały wszczepione w Przestrzeń lędźwiową i tarczę ogonową szczura i hodowane przez okres do 6 miesięcy. Badania te wykazały, że pomimo znacznie niższego modułu kolagenowo-alginianowego TE-TDR w momencie implantacji w porównaniu do dysku rodzimego, tkanka była w stanie utrzymać większość wysokości dysku przez 6 miesięcy (78%). Ponadto, tkanka zobaczyła rozległe osadzanie proteoglikanów i kolagenu i zintegrowała się z ciałami kręgowymi i płytkami końcowymi., Co więcej, podczas mechanicznego testowania segmentu inżynierii ruchu, wykazał on podobne właściwości ściskające do dysku rodzimego. Te wyniki były pierwszymi, które wykazały, że te-TDR może z powodzeniem tworzyć mechanicznie funkcjonalną tkankę po wszczepieniu do przestrzeni dyskowej. Wyniki te są szczególnie intrygujące ze względu na stosunkowo niską wytrzymałość mechaniczną te-TDRs podczas implantacji., Możliwe, że połączona wysoce przepuszczalna natura kolagenu i alginianu te-TDR umożliwiła wystarczający transport składników odżywczych, który promował rozwój tkanki i integrację w przestrzeni dyskowej. Będzie to ważne, ponieważ to pole przesuwa się do przodu, aby więcej pracy zostało wykonane w natywnej przestrzeni dyskowej, aby zrozumieć, w jaki sposób właściwości te-TDR (moduł, przepuszczalność, typ komórki, skład ECM, organizacja włókien AF itp.) wpływają na powstawanie tkanki in situ (patrz rozdział 6.614, zużycie: całkowite protezy krążka międzykręgowego).