211service.com
Szukam kosmosu, by wyleczyć chorobę zwyrodnieniową stawów
Choroba zwyrodnieniowa stawów dotyka setki milionów ludzi na całym świecie. Alan Grodzisky, '71, ScD '74, chce skończyć z ich bólem.
26 października 2021
Choroba zwyrodnieniowa stawów dotyka setki milionów ludzi na całym świecie. Alan Grorodzinsky ’71, dr ’74, chce skończyć z ich bólem. Kaplica Webba
W 1976 roku Alan Grodzisky ’71, ScD ’74 czuł się trochę sfrustrowany.
Spędził dwa lata ucząc podstawowego kursu fizyki i obwodów półprzewodnikowych na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki MIT, ucząc się materiału w szybko zmieniającej się dziedzinie. To nie pozostawiało mu czasu na badania. Wtedy pojawiła się złota okazja.
Z pomocą nieżyjącego już Irvinga Londona, założyciela Harvard-MIT Program in Health Sciences and Technology, Grorodzinsky uzyskał urlop naukowy w Boston Children's Hospital pod opieką nieżyjącego już Mela Glimchera, szefa chirurgii ortopedycznej i pioniera w dziedzinie biologii. ludzkich kości i kolagenu.
Glimcher chciał rozpocząć projekt badawczy nad chrząstką, twardą macierzą włókien wyścielającą stawy, oraz nad chorobą zwyrodnieniową stawów, przewlekłą, bolesną chorobą, która niszczy chrząstkę.
Idealnie pasowała do 29-letniego Grorodzinsky'ego, który zdobył doktorat na badaniu właściwości elektrycznych kolagenu, jednego ze składników chrząstki. Pod koniec roku był na ścieżce, którą podążał od tamtej pory: próbując znaleźć skuteczne metody leczenia choroby zwyrodnieniowej stawów, głównej przyczyny przewlekłego bólu i niepełnosprawności na całym świecie. Dotyka ponad 30 milionów Amerykanów i setki milionów na całym świecie.
To ogromne obciążenie finansowe i obciążenie niepełnosprawnością. I chociaż nie jest śmiertelna, to z pewnością przyczynia się do utraty jakości życia, mówi Joseph Buckwalter, ortopeda i ekspert od choroby zwyrodnieniowej stawów z Iowa, który zna Grorodzinsky'ego od dziesięcioleci. Koszty całkowitej wymiany stawów, głównie kolan i bioder, to jeden z naszych głównych wydatków na zdrowie.
Brak planu na ból
Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków nie zatwierdziła żadnych leków modyfikujących przebieg choroby na chorobę zwyrodnieniową stawów – leków, które leczą chorobę podstawową, a nie tylko objawy. Grodzisky mówi, że większość cierpiących na tę chorobę to środki przeciwbólowe, takie jak Motrin, okazjonalne zastrzyki sterydów i ewentualnie operacja wymiany stawu. Każdego roku w Stanach Zjednoczonych przeprowadza się ponad milion operacji wymiany stawu kolanowego i biodrowego, a liczba ta będzie rosnąć wraz ze starzeniem się populacji.
Podczas gdy osoby starsze są najbardziej podatne na chorobę zwyrodnieniową stawów, Grorodzinsky skoncentrował wiele swoich badań na osobach młodszych, zwłaszcza sportowcach, u których choroba często rozwija się po urazach kolana.
Każdego roku dziesiątki tysięcy młodych kobiet doznają urazów przednich więzadeł krzyżowych kolan. Kiedy prowadzę na MIT kurs związany z biomechaniką, jak mówi Grodzisky, pytam o urazy ACL i tyle samo rąk wznosi się dzisiaj, co w przeszłości. Niedawno prowadziłam kurs w Harvard Medical School, a na 20 uczniów w klasie cztery kobiety doznały łez ACL, a jedna przeszła trzecią operację.
Lekarze mogą naprawić te łzy, mówi, ale zarówno mężczyźni, jak i kobiety, którzy doznają urazów stawów, nadal są narażeni na wysokie ryzyko rozwoju choroby zwyrodnieniowej stawów w kolejnych latach. I chociaż wymiana stawu kolanowego może przeciwdziałać skutkom choroby zwyrodnieniowej stawów, lekarze niechętnie przeprowadzają taką operację u młodszych osób, ponieważ prawdopodobnie będzie trzeba ją powtórzyć po zużyciu pierwszego sztucznego stawu.
Implant stawu kolanowego może przetrwać lata, mówi Buckwalter, ale miałbym koszmary, gdy robiłbym to u kogoś poniżej 40 roku życia, ponieważ szanse są prawie przytłaczające, że będą potrzebować kolejnego.
Nanocząsteczka Rx
Naukowcy zidentyfikowali istniejące leki, które mogą złagodzić początek choroby zwyrodnieniowej stawów, ale utrudnia je fakt, że chrząstka nie ma naturalnego ukrwienia, mówi Grorodzinsky. Kiedy lekarze wstrzykują steryd do stawu kolanowego w celu zmniejszenia stanu zapalnego, organizm usuwa większość leku, zanim dostanie się on do chrząstki.
Aby rozwiązać ten problem, jego laboratorium rozpoczęło pionierskie badania nad nanocząsteczkami, ludzkimi kolanami zwłok, a nawet misjami na Międzynarodową Stację Kosmiczną.
Sześć dni po leczeniu artretycznego kolana nanocząsteczkami zawierającymi insulinopodobny czynnik wzrostu 1 (niebieski), cząsteczki przeniknęły przez chrząstkę stawu kolanowego.
BRETT GEIGER I JEFF WYCKOFFPocząwszy od tego urlopu, ponad cztery dekady temu, Grorodzinsky dowiedział się o chrząstce zasadniczej. Podczas gdy same włókna tkankowe zapewniają pewne wsparcie dla naszych stawów, znaczna część ich siły pochodzi z właściwości elektrostatycznych. Okazuje się, że około połowa sztywności mechanicznej naszej chrząstki przy ściskaniu wynika z elektrostatycznych oddziaływań odpychających między ujemnie naładowanymi łańcuchami cukrowymi, mówi.
Ta ujemnie naładowana macierz tkankowa oferuje również sposób dostarczania leków bezpośrednio do tkanki: poprzez umieszczenie ich w dodatnio naładowanych nanocząsteczkach. Zespół Grodzińskiego był w stanie wykazać w chrząstce stawu kolanowego człowieka, że takie cząsteczki mogą przeciwdziałać wczesnemu zapaleniu i uszkodzeniom spowodowanym urazami.
Wstępne prace nad nanocząstkami rozpoczęła kilka lat temu była doktorantka Grodzińskiego, Ambika Bajpayee, MNG ’07, PhD ’15, obecnie profesor na Northeastern University. Bajpayee współpracował następnie z Paulą Hammond, szefową wydziału inżynierii chemicznej MIT, która była pionierem wykorzystania nanocząstek do dostarczania leków na guzy nowotworowe.
W laboratorium Grodzisky'ego nanocząsteczki zawierające lek są wstrzykiwane zwierzętom w stawy, tak jak w przypadku ludzi, mówi, a gdy są w środku, jeśli są stosowane w odpowiednim stężeniu, mogą w nich pozostać. przez wiele tygodni, zagnieżdżony we włóknistej matrycy.
Grupa skoncentrowała się na dostarczaniu dwóch leków, które są już zatwierdzone do stosowania u ludzi.
Jednym z nich jest przeciwzapalny deksametazon, który jest również z powodzeniem stosowany w leczeniu problemów z oddychaniem u niektórych hospitalizowanych pacjentów z Covid-19. Drugi to insulinopodobny czynnik wzrostu 1 (IGF-1), hormon stymulujący wzrost tkanki kostnej i chrzęstnej, stosowany u dzieci mniejszych niż normalnie.
Deksametazon zmniejsza rozpad chrząstki po urazie, mówi Grodzisky, podczas gdy IGF-1 może sprzyjać naprawie tkanek.
Badania na zwierzętach z użyciem IGF-1 przeprowadzono we współpracy z Hammondem, a laboratorium Grodzińskiego rozszerzyło to eksperymentalne leczenie również na tkanki ludzkie, opierając się na próbkach pobranych od osób zmarłych. Do tej pory laboratorium było w stanie pozyskać kawałki kości kolanowej, chrząstki i torebki stawu maziowego od 45 dawców, mówi Garima Dwivedi, badacz z tytułem doktora w laboratorium.
Dwivedi i jej koledzy umieszczali próbki w studzienkach wbudowanych w plastikowe płytki i utrzymywali ich aktywność metaboliczną. Następnie stosują mechaniczne uderzenie, które naśladuje to, co dzieje się w przypadku kontuzji kolana. To uwalnia cząsteczki zapalne znane jako cytokiny i rozpoczyna proces podobny do tego, który ma miejsce w chorobie zwyrodnieniowej stawów.
Przestrzeń kosmiczna
W tej pracy naukowcy umieścili nanocząsteczki w pożywce hodowlanej, w której kąpie się próbki tkanek – technika, którą mogliby również wykorzystać w przyszłych eksperymentach na stacji kosmicznej, która stała się magnesem dla naukowców badających choroby związane ze starzeniem się.
Naukowcy od lat wiedzą, że ludzkie tkanki starzeją się szybciej na niskiej orbicie okołoziemskiej niż na Ziemi, choć przyczyny są dość tajemnicze. Jedna z analiz oszacowała, że w warunkach mikrograwitacji mięśnie i kości astronautów zanikają 10 razy szybciej.
Ustalenie, jak naprawić uszkodzenia stawów, może mieć kluczowe znaczenie dla przyszłych długoterminowych misji kosmicznych.
Dzięki dofinansowaniu z NIH i NASA laboratorium Grodzińskiego wysłało próbki czopów chrząstki stawu kolanowego i tkanek maziowych do ISS w 2019 i 2020 roku. Mieli nadzieję ustalić, czy choroba podobna do choroby zwyrodnieniowej stawów może zostać zapoczątkowana w naczyniu, aby symulować to, co dzieje się u ludzi po kontuzji kolana – wykorzystując środowisko mikrograwitacji do badania i eliminowania procesów mechanicznych w pracy – i próbując leczyć je deksametazonem i IGF-1.
Jak mówi, wstępne wyniki są zachęcające. Podczas ostatniej podróży na ISS laboratorium odkryło, że oba leki zmniejszają uszkodzenia w wielu próbkach chrząstki.
Ponieważ większość badaczy w dzisiejszych czasach podkreśla, że prawdopodobnie nie będzie ani jednej magicznej kuli, uważamy, że możliwość testowania kombinacji leków in vitro jest ważnym krokiem naprzód, mówi Grorodzinsky.
Praca w mikrograwitacji może również zwrócić dywidendy na przyszłe misje kosmiczne, mówi Dwivedi. Astronauci, którzy intensywnie ćwiczą w kosmosie, aby przeciwdziałać zanikowi mięśni i kości w stanie nieważkości, są trzy razy bardziej narażeni na urazy uderzeniowe niż ludzie na Ziemi, mówi, więc znalezienie sposobu na naprawę uszkodzeń stawów może być kluczowe. na przyszłe długoterminowe misje kosmiczne.
Współczujący mentoring
Grodziński zawsze wydawał się skazany na znalezienie domu w MIT.
Dorastając na Long Island, gdzie uczęszczał do szkół publicznych w rozwijającym się powojennym przedmieściu East Meadow, czasami odwiedzał swojego starszego brata, Stephena Grodzisky'ego '65, SM '67, w Burton House. Pamięta, jak myślał: Dla mnie to wygląda świetnie.
Udał się do uzyskania ScD u zmarłego Jamesa Melchera, dyrektora szkolnego Laboratorium Systemów Elektromagnetycznych i Elektronicznych. Wkrótce jednak nastąpiła recesja i jedynymi posadami, jakie mu zaoferowano, były staż podoktorski w lodowatym Saskatchewan oraz adiunkt w dziedzinie muzyki i inżynierii w Brazylii. Jego mentorzy – w tym Ioannis Yannas, najbardziej znany z wynalezienia sztucznej skóry – zachęcili go do pozostania w pobliżu, oferując mu stanowisko nauczyciela elektrotechniki. Od tego czasu jest w Instytucie.
W 1995 r. MIT utworzył Centrum Inżynierii Biomedycznej, aby rozwijać badania w nowej wówczas dziedzinie. Trzy lata później Grodziński został mianowany na jego obecne stanowisko dyrektora. W tym czasie jego afiliacja wydziałowa zmieniła się w nowo utworzony Wydział Inżynierii Biologicznej, ze wspólnymi stanowiskami w EECS i inżynierii mechanicznej.
Grodzisky wierzy, że wszelkie sukcesy badawcze, jakie osiągnął, są bezpośrednim rezultatem wspaniałych doktorantów i doktorów, których udało nam się uzyskać na MIT. Oni z kolei prosperowali pod jego pełnym współczucia mentoringiem.
Praca z nim była przyjemnością, przede wszystkim dlatego, że daje ci dużą niezależność w rozwijaniu własnych pomysłów, mówi postdoc Dwivedi. I bez względu na to, kim jesteś i na jakim jesteś etapie kariery, słucha Cię z najwyższą uwagą i szacunkiem.
Grorodzinsky i jego żona Gail, obecnie neuropsycholog dziecięcy w Bostonie Szpitalu Dziecięcym, poznali się grając muzykę kameralną.
WEB CHAPPELLDocenia także jego osobiste wsparcie. Kiedy jej rodzice w Indiach zachorowali na krukowicę w kwietniu, dał mi zupełnie wolny czas, żebym mogła się nimi zająć, mówi.
Sam Grodziński zdołał uniknąć choroby zwyrodnieniowej stawów, mimo że w wieku 74 lat znajduje się w pierwszej kategorii ryzyka zachorowania.
Może, myśli, to dlatego, że jego zamiłowanie do muzyki utrzymywało go w stanie sprawności. Po latach lekcji gry na fortepianie w Third Street Music School Settlement w Nowym Jorku, jako licencjat został pierwszym altowiolistą MIT Symphony Orchestra. Po ukończeniu ScD grał także w niezależnych kwartetach smyczkowych i poznał swoją żonę, Gail, grającą muzykę kameralną.
Po tym, jak oficjalnie postawił stopę na kampusie jako student w wieku 18 lat, mówi z uśmiechem, że jakoś nigdy nie byłem w stanie znaleźć sposobu na odejście.