Các nhà khoa học tại Northwestern Medicine đã đạt được một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật tái tạo xương với việc phát triển một phương pháp mới để tăng cường quá trình lành vết thương. Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Nature Communications, trình bày một kỹ thuật tiên tiến có thể cách mạng hóa thiết kế của các implant chỉnh hình và sọ mặt.
Tổn thương mô do chấn thương là một vấn đề phổ biến và phức tạp. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm giải pháp giúp phục hồi các khuyết tật bằng cách sử dụng mô tự nhiên của cơ thể. Tiến sĩ Guillermo Ameer, giáo sư Daniel Hale Williams của Kỹ thuật Y sinh và Phẫu thuật tại Northwestern Medicine, người đứng đầu Viện Kỹ thuật tái tạo Querrey Simpson, cho biết: “Để thay thế mô, đôi khi chúng ta sử dụng nhựa hoặc kim loại để lấp đầy các khuyết tật thường hình thành khi mô bị mất. Điều mà chúng tôi đang cố gắng làm với y học tái tạo là giúp phục hồi khuyết tật đó bằng mô tự nhiên – về cơ bản là mô của chính bạn.”
Trước đây, nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Ameer đã phát triển các implant sáng tạo với bề mặt micropillar được thiết kế độc đáo. Các micropillar này có khả năng biến dạng vật lý nhân tế bào của các tế bào gốc trung mô (MSCs) gắn vào chúng. Tuy nhiên, nghiên cứu mới này đã tiết lộ một phát hiện quan trọng: các tế bào bị biến đổi không chỉ thay đổi số phận nội bộ của chúng mà còn bắt đầu tiết ra các protein tăng cường sự phát triển của xương ở các tế bào lân cận.
Các nhà điều tra đã phân tích các implant được tạo ra trong quá trình phát triển xương và phát hiện ra rằng khi MSCs trải qua sự biến dạng nhân do micropillar, chúng tăng tiết ra các protein tổ chức mạng lưới ngoại bào – mạng lưới cấu trúc hỗ trợ mô. Quá trình này thúc đẩy sự hình thành xương ở MSCs gần đó, ngay cả khi các tế bào đó không trực tiếp tiếp xúc với implant.
Để kiểm tra tiềm năng thực tế của phát hiện này, nhóm nghiên cứu đã cấy ghép các thiết bị micropillar vào chuột với các khuyết tật xương sọ. Kết quả cho thấy rằng các MSCs biến dạng nhân trên implant đã tăng biểu hiện của Col1a2, một gen thiết yếu cho sản xuất collagen và hình thành ma trận xương. Điều này dẫn đến sự tái tạo xương tăng cường ở khu vực khuyết tật.
Những phát hiện này nhấn mạnh một hiện tượng được gọi là tín hiệu matricrine, trong đó các tế bào ảnh hưởng lẫn nhau thông qua các thay đổi trong ma trận ngoại bào thay vì tiếp xúc trực tiếp hoặc các phân tử tín hiệu truyền thống. Tiến sĩ Ameer cho biết: “Ở đây, chúng tôi đã xác định được một cơ chế mà qua đó quá trình này có thể thúc đẩy sự hình thành xương mới ở các tế bào gần đó không trực tiếp tiếp xúc với micropillar.”
Nghiên cứu này mở ra những hướng đi mới cho việc thiết kế các implant không chỉ hỗ trợ mô một cách cấu trúc mà còn tích cực hướng dẫn quá trình lành vết thương thông qua giao tiếp tế bào. Trong tương lai, các nghiên cứu có thể khám phá cách tiếp cận này có thể được điều chỉnh cho các mô khác, chẳng hạn như sụn. Tiến sĩ Ameer cũng cho biết: “Mất sụn là một vấn đề lớn, đặc biệt là trong viêm khớp. Cơ thể không thể tự tái tạo sụn. Nhưng chúng tôi có nghiên cứu cho thấy rằng chúng tôi có thể sử dụng phương pháp in 3D để giúp quá trình đó.”
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi giải thưởng Emerging Frontiers in Research and Innovation của Quỹ Khoa học Quốc gia số 1830968, cũng như khoản tài trợ EFMA-1830961. Ngoài ra, còn được cung cấp bởi các khoản tài trợ của Viện Y tế Quốc gia số U54CA268084, R01CA228272 và R01DE030480.
