Peneliti di Universitas Northwestern telah mengembangkan bahan bioaktif yang mampu meregenerasi tulang rawan berkualitas tinggi di sendi lutut.

Bahan baru ini, yang sangat mirip dengan lingkungan alami tulang rawan, telah menunjukkan hasil yang menjanjikan pada model hewan, berpotensi mengurangi kebutuhan untuk operasi penggantian lutut dan meningkatkan perawatan untuk kondisi seperti osteoartritis dan cedera olahraga.

Regenerasi Tulang Rawan yang Inovatif

Bahan bioaktif baru yang berhasil meregenerasi tulang rawan berkualitas tinggi di sendi lutut model hewan besar telah dikembangkan oleh para ilmuwan Universitas Northwestern.

Meski tampak seperti cairan kenyal, bahan tersebut sebenarnya merupakan jaringan kompleks komponen molekuler, yang bekerja sama meniru lingkungan alami tulang rawan di dalam tubuh.

Dalam studi baru tersebut, para peneliti mengaplikasikan material tersebut ke tulang rawan yang rusak di sendi lutut hewan. Hanya dalam waktu enam bulan, para peneliti mengamati bukti perbaikan yang lebih baik, termasuk pertumbuhan tulang rawan baru yang mengandung biopolimer alami (kolagen II dan proteoglikan), yang memungkinkan ketahanan mekanis tanpa rasa sakit pada sendi.

Dampak Potensial pada Kesehatan Sendi

Dengan penelitian lebih lanjut, para peneliti mengatakan bahan baru ini suatu hari nanti berpotensi digunakan untuk mencegah operasi penggantian lutut penuh, mengobati penyakit degeneratif seperti osteoartritis, dan memperbaiki cedera terkait olahraga seperti robeknya ACL.

Studi ini akan dipublikasikan pada minggu tanggal 5 Agustus dalam Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Tulang rawan merupakan komponen penting dalam persendian kita,” kata Samuel I. Stupp dari Northwestern, yang memimpin penelitian tersebut. “Ketika tulang rawan rusak atau hancur seiring waktu, hal itu dapat berdampak besar pada kesehatan dan mobilitas seseorang secara keseluruhan. Masalahnya adalah, pada manusia dewasa, tulang rawan tidak memiliki kemampuan bawaan untuk sembuh. Terapi baru kami dapat mendorong perbaikan pada jaringan yang tidak beregenerasi secara alami. Kami pikir perawatan kami dapat membantu mengatasi kebutuhan klinis yang serius dan belum terpenuhi.”

Sebagai pelopor nanomedicine regeneratif, Stupp adalah Profesor Dewan Pengawas Ilmu Material dan Teknik, Kimia, Kedokteran, dan Teknik Biomedis di Northwestern, tempat ia menjadi direktur pendiri Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology dan pusat afiliasinya, Center for Regenerative Nanomedicine. Stupp memiliki jabatan di McCormick School of Engineering, Weinberg College of Arts and Sciences, dan Feinberg School of Medicine. Jacob Lewis, mantan mahasiswa Ph.D. di laboratorium Stupp, adalah penulis pertama makalah tersebut.

Komponen Bioaktif Dijelaskan

Studi baru ini mengikuti karya yang baru-baru ini diterbitkan dari laboratorium Stupp, di mana tim tersebut menggunakan “molekul menari” untuk mengaktifkan sel-sel tulang rawan manusia guna meningkatkan produksi protein yang membangun matriks jaringan. Alih-alih menggunakan molekul menari, studi baru ini mengevaluasi biomaterial hibrida yang juga dikembangkan di laboratorium Stupp. Biomaterial baru tersebut terdiri dari dua komponen: peptida bioaktif yang mengikat transforming growth factor beta-1 (TGFb-1) — protein penting untuk pertumbuhan dan pemeliharaan tulang rawan — dan asam hialuronat yang dimodifikasi. asampolisakarida alami yang terdapat dalam tulang rawan dan cairan sinovial pelumas dalam sendi.

“Banyak orang yang mengenal asam hialuronat karena merupakan bahan yang populer dalam produk perawatan kulit,” kata Stupp. “Asam hialuronat juga ditemukan secara alami di banyak jaringan di seluruh tubuh manusia, termasuk sendi dan otak. Kami memilihnya karena menyerupai polimer alami yang ditemukan dalam tulang rawan.”

Tim Stupp mengintegrasikan peptida bioaktif dan partikel asam hialuronat yang dimodifikasi secara kimia untuk mendorong pengorganisasian diri skala nano serat menjadi bundel yang menyerupai arsitektur alami tulang rawan. Tujuannya adalah untuk menciptakan perancah yang menarik bagi sel-sel tubuh sendiri untuk meregenerasi jaringan tulang rawan. Dengan menggunakan sinyal bioaktif dalam serat berskala nano, bahan tersebut mendorong perbaikan tulang rawan oleh sel-sel, yang mengisi perancah tersebut.

Pengujian Klinis dan Aplikasi Masa Depan

Untuk mengevaluasi efektivitas bahan tersebut dalam meningkatkan pertumbuhan tulang rawan, para peneliti mengujinya pada domba yang mengalami cacat tulang rawan pada sendi lutut, sendi kompleks pada tungkai belakang yang mirip dengan lutut manusia. Pekerjaan ini dilakukan di laboratorium Mark Markel di Fakultas Kedokteran Hewan di Universitas Wisconsin–Madison.

Menurut Stupp, pengujian pada model domba sangat penting. Sama seperti manusia, tulang rawan domba keras kepala dan sangat sulit diregenerasi. Lutut domba dan lutut manusia juga memiliki kesamaan dalam hal menahan beban, ukuran, dan beban mekanis.

“Sebuah studi pada model domba lebih prediktif mengenai bagaimana pengobatan akan bekerja pada manusia,” kata Stupp. “Pada hewan lain yang lebih kecil, regenerasi tulang rawan terjadi jauh lebih mudah.”

Dalam penelitian tersebut, para peneliti menyuntikkan bahan yang tebal seperti pasta ke dalam cacat tulang rawan, di mana bahan tersebut berubah menjadi matriks kenyal. Tulang rawan baru tidak hanya tumbuh untuk mengisi cacat saat perancah terdegradasi, tetapi jaringan yang diperbaiki secara konsisten memiliki kualitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan kontrol.

Solusi yang Tahan Lama

Di masa mendatang, Stupp membayangkan material baru ini dapat diaplikasikan pada sendi selama operasi artroskopi atau operasi sendi terbuka. Standar perawatan saat ini adalah operasi fraktur mikro, di mana dokter bedah membuat fraktur kecil pada tulang di bawahnya untuk mendorong pertumbuhan tulang rawan baru.

“Masalah utama dengan pendekatan fraktur mikro adalah sering kali mengakibatkan pembentukan tulang rawan fibrosa — tulang rawan yang sama di telinga kita — bukan tulang rawan hialin, yang merupakan tulang rawan yang kita perlukan untuk memiliki sendi yang berfungsi,” kata Stupp. “Dengan meregenerasi tulang rawan hialin, pendekatan kami seharusnya lebih tahan terhadap keausan, memperbaiki masalah mobilitas yang buruk dan nyeri sendi untuk jangka panjang sekaligus menghindari perlunya rekonstruksi sendi dengan perangkat keras yang besar.”

Referensi: “Perancah polimer supramolekul dan kovalen bioaktif untuk perbaikan tulang rawan pada model domba” 5 Agustus 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2405454121

Penelitian ini didukung oleh Mike and Mary Sue Shannon Family Fund untuk Sistem Material Bioaktif dan Terinspirasi Hayati untuk Regenerasi Muskuloskeletal.