Proteine ??als Werkzeuge für die Knochenreparatur

Wenn William Murphy, ein Associate Professor für Biomedizinische Technik und Orthopädie und Rehabilitation an der Universität von Wisconsin-Madison mit einigen der mächtigsten Werkzeuge in der Biologie arbeitet, ist sein Ansatz, Werkzeuge zu entwickeln, die zusammenpassen. Die Strukturen ähneln Steckschlüsseln, die zusammengesetzt werden, um eine Drei-Viertel-Zoll-Mutter auf engem Raum zu drehen, oder um einen 1-Zoll-Bolzen mit einem sehr überzeugenden Hebel zu lösen, der fest verrostet ist.
Murphys Werkzeuge sind jedoch keine Steckschlüssel, sondern Proteine, die viel flexibler sind als Steckschlüssel und ebenfalls etwa 100 Millionen Mal kleiner. Während ein Ende seines modularen Werkzeugs mit Knochen verbunden sein kann, stimuliert das andere Ende das Wachstum von Knochen, Knorpel oder Blut Schiffe.
Darilis Suarez-Gonzalez und Jae Sung Lee vom Murphy-Labor werden ihre Ergebnisse bei der Tagung der Orthopaedic Research Society in San Francisco vorstellen, die zeigen, dass orthopädische Implantate, die mit modularen Wachstumsfaktoren "beschichtet" sind, das Knochen- und Blutgefäßwachstum bei Schafen stimulieren können.
Seit Jahren sind medizinische Wissenschaftler von Wachstumsfaktoren, d. H. Proteinen, die das Gewebewachstum stimulieren können, fasziniert, diese Faktoren können jedoch entweder zu effektiv oder nicht ausreichend spezifisch sein und daher zu Krebs anstelle von kontrolliertem Wachstum führen, das für die Heilung benötigt wird.
Murphy möchte die einzigartigen Vorteile dieses modularen Ansatzes nutzen, um Knochen, Sehnen und Bänder zu heilen oder zu regenerieren, und insbesondere bei Ersatzoperationen, nachdem ein künstliches Gelenk gelockert oder gescheitert ist. Durch die Platzierung von Wachstumsfaktoren in der Nähe eines neuen Implantats durch temporäre Stimulation des Knochens können Ärzte möglicherweise kürzere Heilungszeiten und einen guten engen Kampf erreichen.
Eine andere Möglichkeit könnte sein, Bänder nach Verletzungen an den Knochen wieder an den Knochen anzulagern und große Knochendefekte während der Wirbelsäulenversteifung, Gesichtsrekonstruktion oder Trauma zu heilen. Murphy arbeitet in Zusammenarbeit mit zwei außerordentlichen Professoren für Orthopädie und Rehabilitation an der School of Medicine and Public Health und sagt:

"Ben Graf konzentriert sich auf Knieverletzungen in der Sportmedizin und David Goodspeed, ein Oberstleutnant in der Armee, der während mehrerer Touren im Irak Explosionsverletzungen erlitten hat, arbeitet an der Art von schweren traumatischen Wunden, die wir mit diesem Ansatz potenziell behandeln können."

Murphy sagt, dass das funktionierende Ende der modularen Struktur ein Fragment eines Wachstumsfaktors aufweisen kann, jedoch nicht das gesamte Protein. Er fährt fort:

"Oft wollen Sie nur die spezifischen Regionen, die die Signalwege aktivieren, denn das kann die Wahrscheinlichkeit verringern, unerwünschtes Wachstum zu stimulieren, sogar Krebs."

Am gegenüberliegenden Ende kann Murphy ein Verankerungsmolekül platzieren, das sich an den Knochen bindet und verhindert, dass die modulare Struktur von der Wunde wegwandert.
Er erklärt den modularen Ansatz mit den Worten: "Sie könnten die Knochenbildung ohne die Nebenwirkungen stimulieren. Wir versuchen, die Stimulation außerhalb des Knochendefekts zu reduzieren, indem wir versuchen, diese Moleküle so zu konstruieren, dass in einem Defekt gezielt neue Knochen entstehen. und dort zu bleiben. "
Murphy führte Tierversuche zusammen mit Mark Markel, einem Professor für Veterinärmedizin, durch, die zeigten, dass der Knochen dichter um das Implantat herum ist und dass die Verschmelzung zwischen Implantat und Knochen haltbarer ist als die neuesten modernen orthopädischen Techniken. Außerdem wurden die hinzugefügten Wachstumsfaktoren an anderen Stellen des Tieres nicht nachgewiesen.

Das Engineering jedes Abschnitts des Moleküls ermöglicht es, dass ihre Eigenschaften individuell angepasst werden können. Murphy sagt:

"Wir können ähnliche Proteinstrukturen nehmen und modulieren. Wenn wir ein Molekül wollen, das sehr stark an die Oberfläche eines Knochentransplantats bindet, können wir das. Wenn wir eines wollen, das über kontrollierbare Zeitrahmen freisetzt, können wir das tun als Gut."

Murphy ist sich bewusst, dass viele Hindernisse überwunden werden müssen, wenn man einen wichtigen Schritt vom Labor in die Klinik macht und sagt:

"Wir haben gezeigt, dass dies in einem großen, klinisch relevanten Tiermodell funktionieren kann, aber realistischerweise sehe ich nicht, dass es innerhalb der nächsten fünf Jahre in der Klinik verwendet wird."

Murphys Ansatz ist von der Biologie inspiriert. Er versucht nicht, die normale Kommunikation zwischen Zellen und Geweben genau zu kopieren, und sagt:

"Wir sind nicht daran interessiert, eine bestimmte Struktur oder Funktion spezifisch nachzuahmen, aber die Natur verwendet während der Entwicklung und Regeneration eine Vielzahl grundlegender Mechanismen, und wir ziehen daraus Lehren und entwerfen synthetische Systeme, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen. Wir wiederholen nicht die Natur, sondern Wir sind von der Natur inspiriert. "

Geschrieben von Grace Rattue