מהנדסי הרווארד חושפים פתרון משנה משחק עבור דליפה ארוכת טווח

דבק Dural Tough Adhesive בעל דבק גבוה וחזק מבחינה מכנית נותן מענה למגבלות מרובות בתיקון הקרום הדורלי המציף את המוח וחוט השדרה לאחר טראומה וניתוחים.

הממברנה הדוראלית (dura) היא החיצונית מבין שלוש שכבות קרום המוח המצפות את מערכת העצבים המרכזית (CNS), הכוללת את המוח וחוט השדרה. יחד, קרומי המוח מתפקדים כבולם זעזועים כדי להגן על מערכת העצבים המרכזית מפני טראומה, להזרים חומרים מזינים ברחבי מערכת העצבים המרכזית, כמו גם להסיר פסולת.

הדורה היא גם מחסום ביולוגי קריטי המכיל נוזל מוחי (CSF) המקיף את כל רקמות ה-CNS. כתוצאה מכך, פציעה ספונטנית, טראומה או פרוצדורות כירורגיות הכרחיות עלולות לגרום לדליפה של CSF, מה שעלול לאיים על חייהם של המטופלים, על תפקודים נוירולוגיים והחלמה.

"כנוירוכירורגים, אנו פותחים באופן שגרתי את ה-dura כדי לגשת למוח או לחוט השדרה, אך השגת אטימה אטומה של ה-dura בסיום ההליכים הללו יכולה להיות מאתגרת בנסיבות מסוימות", אמר קייל וו, MD, נוירוכירורג והשותף -מחבר ראשון ושותף של מחקר חדש המציג פתרון חדשני לתיקון דוראלי. "האפשרויות הנוכחיות שלנו מוגבלות, המורכבות מתיקון תפרים או השתלה, שיכולים להיות קשים לביצוע אם אין רקמה בת קיימא, עם פגמים גדולים, או במהלך ניתוחים זעיר פולשניים חומרי איטום כירורגיים הזמינים כיום אינם נצמדים היטב לרקמה רטובה, הם שביר מדי, וחסר את הקשיחות הנדרשת כדי למנוע באופן מהימן דליפת CSF."

וו כעת הוא עוזר פרופסור במרכז הרפואי וקסנר של אוניברסיטת אוהיו סטייט, ובתחילת המחקר היה תושב נוירוכירורגי בבית החולים Brigham and Women's בבוסטון ועמית חדשנות כירורגית בבית החולים לילדים בבוסטון.

פתרון חדש לאיטום מחדש של הדורה פותח כעת על ידי צוות שיתופי של ביו-מהנדסים במכון וויס להנדסה בהשראה ביולוגית באוניברסיטת הרווארד ובבית הספר להנדסה ומדעים שימושיים בהרווארד ג'ון א. פולסון (SEAS), ונוירוכירורגים באוניברסיטת הרווארד. בית החולים Brigham and Women's, והמרכז הרפואי וקסנר של אוניברסיטת אוהיו סטייט ובית החולים לסרטן ג'יימס, המשתמש בחומר ביולוגי רב-פונקציונלי שמתייחס למגבלות העיקריות של שיטות התיקון הנוכחיות ויש לו פוטנציאל להחליפן.

החוקרים, בראשות חבר סגל הליבה המייסדת של מכון Wyss והפרופסור המשפחתי של SEAS רוברט פ. פנקס לביו-הנדסה דייוויד מוני, Ph.D., הוכיחו כי "הדבק Dural Tough Adhesive" (DTA) שלהם פעל טוב יותר מאשר חומרי איטום כירורגיים המשמשים כיום בבדיקות באמצעות in vivo מודלים של בעלי חיים ורקמות שמקורן באדם ex vivo. הממצאים מתפרסמים ב מדע רפואה מתרגמת.

לוקחים השראה מהטבע

DTAs הם דוגמה מעניינת ל"הנדסה בהשראה ביולוגית". לפני כמעט עשור, הקבוצה של מוני, שכבר אספה מומחיות בעיצוב הידרוג'לים בעלי תכונות מכניות מובהקות, חיפשה דוגמאות בטבע שיוכלו לסייע במציאת פתרונות חדשים לאיטום ושיקום רקמות פגועות בגוף. "גישות חומריות להתחדשות רקמות בזמנו התמקדו בעיקר ביצירת 'הידבקות' חזקה למשטחי גוף שונים, אך לא כל כך ב'לכידות' פנימית חזקה או קשיחות מול כוחות מכאניים של רקמות", אמר המחבר הראשון בנג'מין. פרידמן, Ph.D., לשעבר עמית מחקר של Wyss בצוות של מוני. "בנוסף, הם נותרו יחסית לא יעילים בהיצמדות למשטחי רקמה רטובים מכוסים בנוזלי גוף שונים." החיפוש שלהם הוביל את הקבוצה לשבלול אריון דוסקי (אריון סובפוסקוס), המפריש סוג מיוחד של ריר שבו הוא משתמש כדי להדביק את עצמו במהירות כדי למנוע מטורפים לחטט אותו ממשטחים שונים.

בין היתר על ידי חיקוי תכונות של ריר השבלול, הצוות פיתח הידרוג'ל המורכב משתי רשתות פולימריות מעורבות: רשת של מולקולות אקרילאמיד מצולבות קבועות היוצרת ג'ל אלסטי מאוד, ורשת של מולקולות אלגינט מצולבות באופן הפיך. לחלק מחדש את האנרגיה המופקת על ידי כוחות מכניים ברקמות הבסיסיות. בשילוב עם שכבה דביקה מאוד המשתמשת בצ'יטוזן, חומר סיבי על בסיס סוכר המופק מהשלדים החיצוניים של רכיכות, ההידרוג'ל הקומפוזיט Tough Adhesive (TA) יכול להיקשר למגוון משטחים מכוסי נוזל על ידי יצירת סוגים מרובים של אינטראקציות כימיות. איתם יוצרים בשיתוף פעולה אטימה הדוקה.

"קבוצת מוני היו בעבר גישות מתקדמות של TA לתיקון רקמות מרובות, כולל משטחי רקמה פצועים, גידים, מומים בצינור העצבי של תינוקות ברחם ואחרות. כאשר ד"ר וו פנה אלינו, אימצנו את דליפת הממברנה הדוראלית כהזדמנות קלינית חדשה עבור TAs", אמר פרידמן, שעמד בראש מספר יישומי TA בצוות של מוני.

הגנה משופרת על המוח וחוט השדרה

הצוות הוכיח כי ל-DTA, שהרכבו עוקב אחר אותו ניסוח בסיסי של TA, יש תכונות רלוונטיות לתיקון עדיפות על אלו של חומרי איטום כירורגיים קיימים. ב ex vivo מחקרים, הם הראו ש-DTA נדבק בצורה חזקה יותר לממברנות הדוראליות של חזירים ויכול לעמוד בלחצים גבוהים יותר לפני כשל, בהשוואה לאיטום מסחרי. חוזק מכני מעולה הוא מאפיין חשוב של DTAs, שכן לחץ תוך גולגולתי מוגבר עלול להיתקל במצבים כגון גידולי מוח, שבץ, טראומה, יתר לחץ דם תוך גולגולתי אידיופתי והידרוצפלוס.

In vivoכאשר הונח ישירות על הדורה של חולדות, DTA שמר על המבנה שלו והיה תואם ביולוגי מלא למשך ארבעה שבועות לפחות, מה שגרם לגירוי מינימלי בלבד, שהיה דומה לאיטום מסחרי.

הצוות הראה ש-DTAs יכולים לספק את אותם היתרונות כאשר נבדקו באמצעות רקמת גופות אנושית. "לאור המגמה המתמשכת של נוירוכירורגים זעיר פולשניים לטובת המטופלים, חומר איטום דורלי אידיאלי חייב להיות לא רק אלטרנטיבה טובה יותר לתיקון תפרים, אלא גם להיות קל יותר לטיפול ולפריסה בחללים צרים – שיטות התיקון הנוכחיות אינן טובות ב. שניהם," אמר וו. "למעשה, הצלחנו להחדיר DTA דרך חלל האף של צפלוס אנושי ולהציב אותו במדויק על אזור דולף של בסיס הגולגולת שם הוא עמד בלחצים תוך גולגולתיים שנוצרו באופן מלאכותי שהיו הרבה מעבר לטווח הלחצים הפתולוגיים אפילו."

מתרגמים חלק מהמפתחות שלהם בַּמַבחֵנָה ממצאים לא in vivo מצב, מוני, פרידמן, וו ועמיתיהם התמקדו בקרע בשק הדורלי העוטף את חוט השדרה של חזירים. עמוד השדרה של החזיר דומה מאוד לזה של בני אדם. קרעים דוראליים הם סיבוך שחששו ממנו במהלך ניתוח עמוד השדרה. הצוות חתם בהצלחה חתכים בדורה עם מדבקת DTA, או לחילופין עם איטום עמוד השדרה המסחרי DuraSeal כהשוואה. לאחר מכן, הם הגבירו את לחץ הנוזלים בתוך חוט השדרה, תוך הפעלת תמרון פיזיולוגי שמבצעים נוירוכירורגים רבים כדי לבדוק את תקינות התיקון הדוראלי בתום הניתוחים. בעוד שחתכים שתוקנו ב-DTA מעולם לא חוו דליפה עם העליות הקלות הללו בלחץ הנוזלים, חתכים שתוקנו עם DuraSeal החלו לדלוף ב-40% מהמקרים. בדגם, DTA גם התנגד בקלות לדליפה גם כאשר נחשף ללחצי נוזל גבוהים בהרבה מאלה שחווים בגוף.

"אנו נרגשים שפתחנו פרספקטיבה חדשה לנוירוכירורגים עם מחקר זה, שבעתיד יוכל להקל על מגוון התערבויות כירורגיות ולהוריד את הסיכון לחולים שצריכים לעבור אותן. מחקר זה גם מדגיש כיצד להתקדמות ייחודית ומובן היטב בעיצוב של חומרים ביולוגיים, כמו אלה שיצרנו בפלטפורמת הדבק הקשיח שלנו, יש פוטנציאל להשפיע על מספר רב של תחומים מגוונים מאוד של רפואה רגנרטיבית", אמר הסופר הבכיר מוני.

מחברים נוספים על המחקר הם וניה לינדה בי, MD, Ph.D., פרופסור חבר לנוירוכירורגיה בבית הספר לרפואה של הרווארד ובבית החולים בריגהם ולנשים, וכן פיבי קוון, מתיו טורה ודניאל קנט. העבודה נתמכה על ידי מכון ויס באוניברסיטת הרווארד, ו המכונים הלאומיים לבריאות (תחת מענק מס' K99/R00AG065495).