Hvor hurtigt kan vi få en knogle til at hele?

Måske har du prøvet at brække en knogle, og siddet med en blyant under gipsen for at klø den ømme, indpakkede hud, mens du utålmodigt venter på at kroppen heler.

Det kan tage uger, ja måneder, hvor livet er ekstra besværligt og kroppen er sat ud af spil. Heldigvis er vi med årene blevet bedre til at skabe proteser, der kan hjælpe helingen.

Disse materialer er typisk lette, men stadig robuste, såsom titanium og tantalum. Der anvendes også silikone-materiale til mere blødt væv som muskler og knæ.

Forskere har i årenes løb forsøgt at udvikle materialer, der kan genoprette nyt og stærkt væv i de ødelagte dele af kroppen og derefter forsvinde, i stedet for blot at virke som permanente støtteimplantater.

For et halvt år siden fortalte vi her på Videnskab.dk om vores forskning i levende implantater. Den gang var vi i gang med at teste vores nye materialer i menneskeceller i laboratorier.

Nu har vi de første positive resultater efter test i rotter, og vi er et skridt nærmere at tage de nye materialer i brug.

En hurtigere helingsproces hjælper både patienter og hospitaler

Problemet med de hidtidige materialer der skulle genoprette væv, har været, at det har været meget svært at genskabe væv tilstrækkeligt hurtigt.

Man har også forsøgt at kombinere vævsmaterialerne med celleterapi, men selvom der er en vis effekt, er der stadig lang vej til hurtig helbredelse. Patienterne er stadig typisk flere måneder om at nå til en fuldstændig genoprettelse.

På DTU arbejder vi med at udvikle nye og mere naturlige materialer for at imødekomme denne udfordring, og ideelt set reducere helingsprocessen, så den ikke tager flere måneder.

Vores fokus har primært været på hårdt væv som knogler og knæ, og vi har faktisk opnået ret gode resultater ved at helbrede ødelagt knoglevæv med næsten 100 procent succes på blot otte uger.

Vi mener endda, at vi inden for de kommende år kan nå ned på kun fire uger.

Det ville være et stort gennembrud for sundhedsvæsenet, da det kan reducere belastningen på hospitalerne og fremskynde helingsprocessen for knoglebrud og andre traumatiske skader.

Den komplekse knogle er svær at kopiere

Kroppens organer er hierarkiske, fordi de består af forskellige niveauer af specialiserede proteiner, fibre og celler, der arbejder sammen for at udføre specifikke funktioner.

For eksempel danner små mikroskopiske celler væv, som igen organiserer sig til store organer med unikke opgaver. Det kan være eksempelvis muskelvæv, som består af bittesmå muskelfibre, der igen er sammensat af endnu mindre celler og proteiner.

På samme måde er knogler meget komplekse, og består af to forskellige dele. Den ene del er hård og består af nanomineraler lavet af calcium, fosfat og magnesium.

Den anden del er blød og består af et netværk af fibre og stoffer som kollagen, der danner mikrostrukturer. Det er denne unikke kombination, der giver knogler deres styrke og fleksibilitet.

Desværre er de fleste implantater på markedet i dag ikke lavet på samme måde. De er i stedet lavet af hårde metaller som titanium, stål og tantalum eller bløde geler.

De er enten mikroorganiserede eller nanoorganiserede. Det er sjældent, at forskere har formået at kombinere dem, på samme måde som i naturlige knogler.

Det ville være fantastisk, hvis vi kunne skabe noget lignende, og det er netop, hvad vi stræber efter.

Blanding af blødt og hårdt materiale virker bedst

Som nævnt har forskere i løbet af de seneste år forsøgt at genskabe sådanne materialer ved enten at skabe mikroporøse materialer eller nanostrukturer på implantater. Nogle har i den forbindelse fokuseret på hårde metalliske materialer, mens andre har undersøgt mere gelagtige materialer.

Eksempelvis lykkedes det forskere for nyligt at udvikle porøse metalimplantater ved hjælp af en ny 3D-printningsteknik.

Efter 12 uger blev der observeret en gendannelse af 72 procent af det ødelagte knoglevæv.

I et andet studie efterlignede man det bløde område omkring knogleceller, hvilket resulterede i en knogledannelse på omkring 15 procent efter 12 uger.

Ved at tilføje nanomineraler (hårde materialer) til gelerne, ligesom dem der findes i naturlige knogler, kunne effekten øges til hele 69 procent efter kun 6 uger.

Tidligere studier, viser altså, at hverken bløde eller hårde materialer alene kan fremme god knogledannelse, og at vi får den hurtigste heling ved at blande de to materialer – ligesom i en rigtig knogle.

Organiske implantater fungerer i rotter

I vores internationale forskergruppe har vi taget et stort skridt i denne retning og skabt et porøst implantat, som understøtter hurtigere knogleheling.

Det gør det ved hjælp af egenskaber, der ligner dem, vi kender fra naturlige knogler – på både nano-, mikro- og makroskala.

Det har også samme trykstyrke og svampede struktur som menneskeknogler, og kan lynhurtigt frigive essentielle mineraler, der er nødvendige for en perfekt heling.

I en nyligt offentliggjort artikel i tidsskriftet ACS Applied Materials and Interfaces beskriver vi, hvordan implantatet fører til næsten perfekt knogleheling hos rotter uden brug af vækstfaktorer og efter kun otte uger.

Implantatet er lavet af glas og tang

Helt konkret udførte vi et eksperiment på rotter, hvor vi skabte en kritisk knoglemangel på hovedskallen. For at undersøge helingsprocessen blev disse defekter udfyldt med implantater, mens kontrolgruppen blev efterladt tom.

Efter 8 ugers implantation blev toppen af rotteskallens hoved forsigtigt fjernet for at kunne undersøge helingsgraden af tomme defekter og implanterede defekter ved hjælp af histologiske analyser.

Histologi er studiet af vævsstrukturer, hvor celler, mineraler og proteiner i væv farves og undersøges under et mikroskop. Dette giver os mulighed for at vurdere, hvor godt knoglerne er helet.

Implantatet er 100 procent organisk og primært lavet af biologisk glas, tang og nanoler.

Vigtigst af alt er alle ingredienserne allerede godkendt af de amerikanske sundhedsmyndigheder (FDA), hvilket markant reducerer risikoen for, at kroppen afviser implantatet.

Vejen til klinikken og forbedret patientbehandling er derfor minimal.

Hvad bringer fremtiden?

De positive resultater åbner for mange muligheder.

Tænk bare på, hvis man kan forkorte helingsperioden helt ned til fire uger, og derved opnå en nærmest øjeblikkelig regenerering uden brug af dyre stamceller, hormoner og medikamenter, eksempelvis ved at stimulere implantatet elektrisk?

Eller hvad hvis teknikken kan bruges på andre væv udover knoglevæv, såsom muskel-, knæ- og led-væv?

Vores forskergruppe sigter mod denne nye spændende verden inden for medicin. Vi har faktisk lavet naturtro knogle implanter, der også er elektrisk ledende, og kan derved i teorien accelerer heling endnu mere gennem bioelektrisk stimulering.

Vi har testet dem i laboratoriet, og de lader indtil videre til at fungere som planlagt.

Næste skridt efter vores rotteforsøg er derfor at søge tilladelse til sådanne fascinerende dyreforsøg, hvor elektrisk stimulering af implanter er i fokus.

Vi skal derefter etablere forsøgene og finde en metode til at stimulere dyrene med elektricitet på en ubemærket måde, da rotter desværre har en tendens til at gnave i ledningerne. En elegant løsning kan være at bruge elektromagnetiske felter.