Titan je nejčastěji používaným materiálem na ortopedické implantáty. Používá se samotný i jako slitina. Má dostatečnou mechanickou pevnost a přitom je chemicky stálý - nekoroduje a neprovokuje imunitní aparát, takže alergické reakce na něj prakticky nejsou. To, že se proti němu tělo nebouří ale ještě neznamená, že je vše vpořádku. Ortopédi to dobře znají, že u takové náhrady kyčelního kloubu nejde jen o to, natlouci pacientovi do stehenní kosti kus kovu s novou hladkou hlavicí, ale hlavně o to, aby se náhradní díl nezačal v kosti časem viklat. Stává se, že některým pacientům umělé klouby nesednou a pak začnou radosti s nezvládnutelnými infekcemi a kloubní implantát musí pryč. Podobné případy se stávají v jednom až dvou procentech případů. Je nasnadě, že týmy inženýrů se již delší dobu snaží najít způsob, jak povrch implantátů upravit, aby se životnost kloubů a rizika spojená s jejich „odhojováním“, snížila.
Začalo to již kdysi dávno úvahou, že na hladkém kovu se nemohou buňky tvořící kost uchytit. Aby lépe vrostly do nově se tvořící kosti, začaly se zdrsňovat. Broušení dříků jisté vylepšení přineslo, ale krom toho i něco dalšího. Vrypy nabídly také vhodná zákoutí, kam se začaly schovávat stafylokoky a s nimi i nárůst případů opakovaných zánětů. Tak začalo experimentování s povrchy, které měly různou hloubku „drážkování“ a antibakteriální vlastnosti. Jedním z nadějných řešení se ukazovalo být nanášení nanostruktur oxidu zinku. Počítání buněk stafylokoků rostoucích na povrchu ošetřeném nanokrystaly oxidu zinečnatého ukázalo, že na ošetřené ploše se zlé bakterie cítí o tři řády hůře. Nanostrukturování implantátů je velkým přínosem a výrobci náhražek si dnes bez něj už prakticky neškrtnou. Ale ani poslední hit s laserovým zdrsňováním mnohonásobně zvětšující povrch obrobku s tím zatím nejvhodnějším „reliéfem“ vyhovující přichytávání buněk, problém přechodu kov-kost zcela nevyřešil. Buňky našeho těla jsou až moc dobře ycvičeny na rozeznávání cizího a vlastního a bohužel to uplatňují i tehdy, kdy se nám to nehodí.
Zatím co techická stránka totálních náhrad koleních a kyčelních kloubů je zvládnuta dokonale, vrůstání osteoblastů do vložených kovových struktur a tím i tvorba pevného spojení se zbytkem kosti, pokulhává. Proto se výzkum poslední dobou soustředí na hledání materiálů, které by jak buňky kosti, tak úponů šlach, přijaly za vlastní a ochotně k nim pevně přilnuly a ne je jen obklopovaly. Nyní se v tomto směru Čínsko-japonskému kolektivu zdařil velký skok. Asiaté navázali na dřívější úspěšné poznatky s potahováním kovu fosforačnanem vápenatým, proti němuž živé kostní buňky moc nenamítají a ochotně se s ním bratříčkují. Jenže šli ve svých úvahách dál a sice, že kost není jen tvrdá a křehká vápenatá „anorganika“, ale i organické substance, které dělají kost pružnou. Tuto funkci mají na starosti vlákna proteinu zvaného kolegen. Rostoucí a obnovující se kost zatím byla spojována převážně s buňkami zvanými osteoblasty a osteoklasty a na buňky s kolagenem se tak trochu zapomínalo.
Kolagen
Představa o kolagenu, jako hmotě podobné gumě dodávající tkáním pružnost je sice správná, ale zastaralá. Přišlo se totiž na to, že kolagenovými receptory oplývá na svém povrchu mnoho buněk našeho těla. Je jich celá řada typů. Některým se říká integrinové receptory, jiným receptory manosové rodiny, dále DDR receptory, glykoprotein VI, Lair-1 receptor,... Mají toho na starosti hodně a jak je již u jednoho z názvu (integriny) patrné, hrají úlohu při vzájemném kontaktu buněk a jejich pocitu jakési sounáležitosti. Prostřednictvím spouštění enzymatických kaskád mluví buňkám do jejich ochoty se množit, provokují jejich cestovatelské choutky i rozhodnutí kdy a kde se usadí a začnou sousedsky spolupracovat. Kolagen tedy nejsou jen pružné provázky tvořící šlachy, ale též molekuly aktivující buňky mezenchymálního původu i takzvané kmenové buňky s jedinečnou schopností se množit a dávat vznik buňkám schopným nahradit jakoukoliv buňku, která je v daném místě zrovna potřeba.
Wei-Qi Yan měl tušení, že by přídavek kolagenu do směsi pokrývající implantát, mohl obnovující se kosti být ku prospěchu. Přesvědčil další kolegy a začali to zkoušet na plátcích kovu. Polovinu z nich pokryli svým novým „kolagenem obohaceným nátěrem“ a testovali, zda se taková „postýlka“ buńkám zamlouvá. Podle spuštěných genů bylo jasné, že jim to dělá dobře a že jejich spektrum je z pohledu normální kosti, přirozenější. Později si vše ověřili i na tyčinkách o průměru 2 a délce 10 milimetrů, když tyto hřeby vkládali králíkům do stehenních kostí. Po čtyřech až osmi týdnech zjišťovali, jak organismus cizí mateiál snáší a jak ochotně se na jeho povrchu vytváří nová kostní hmota. Skenovací mikroskop ukázal několik zlepšení. Králíkům trvalo kratší dobu, než na novém povrchu vytvořili vrstvičku nové kosti. Za stejnou dobu také narostlo na povrchu s „trojkombuinací“ více kosti a hřeby s kolagenem ochotněji zarůstaly do kosti. Více si výzkumníci snad ani nemohli přát, protože v praxi to znaná, že takový spoj se hojí rychleji, nehrozí záněty a je pevnější.
Nápad podstrojovat rostoucí kosti kromě fosoferečnanu ještě denaturovanou formu kolagenu navázanou na kov kovalentní amidovou vazbou (-NH-CO-) za asistence enzymu ureázy, se ukázal být trefou do černého. Takto vylepšený povrch není fyzikální záležitostí, ale biologickou - povrch implantátu podporuje proliferaci kmenových buněk a jejich diferenciaci v buňky kosti. Rozdíl je výrazně lepší již po čtyřech týdnech. Nejspíš se tedy výzkumníkům podařilo vytvořit kuchařku, jak postupným koupáním kovového předmětu v chemických a enzymatických lektvarech na něm vytvořit momentálně ten nejlepší biokompatibilní povrch na světě. A pokud si to nechají patentovat, můžou, jako v pohádce, „spokojeně si tam žít až do smrti“. Ale i my pojištěnci u Všeobecné zdravotní se spolu s nimi můžeme radovat. Celý fígl spočívá v prachobyčejné želatině z „hovězího“. A ta je doslova za babku a tak i případné licenční poplatky by produkt prodražily zcela minimálně.
Přílišnou radost může kazit spíš něco jiného. I na tomto výsledku je tak trochu patrné, že se nám začíná mstít legislativou omezené bádání v oblasti kmenových buněk. Tak nějak to zaznělo i na dvou posledních imunologických sympoziích. Tím, že Číňané na práva potracených plodů takový ohled nebrali a začali s jejich buňkami léčit, získali výhodu praktických zkušeností s chováním kmenových buněk. Existence něčeho, čemu se již říká transplantační turistika, toho je rovněž důkazem. Dobré i špatné poznatky se jim nyní zúročují v dalších prakticky využitelných vychytávkách, kterými nám Říše středu začíná ukazovat záda. Ve zde popsaném pokusu s bioaktivním filmem na povrchu implantátu nejde vlastně o nic jiného, než o vytvoření vyhovujících podmínek těm správným kmenovým buňkám. U nynějšího poznatku ani zdaleka nejde jen o kolena a kyčle. Na materiál kompatibilní s kostí čekají i specialisté na opačném konci těla. Zavrtat čepy do čelisti a vylepšit nám úsměv i kousání není stomatologicky technický problém. Problém je, namluvit kosti, že to co tam přibylo, je vpořádku, aby nám úsměv z tváře nevyhnal zánět okostice.
Možná to tak nebude, ale mám pocit, jako by mi z mikin a džín, které mám na sobě, měly brzo začít koukat i z toho co budu mít v nohavicích a ústech, visačky „Made in China“.
Literatura:
Zhong-Ming Huang et al, Promotion of osteogenic differentiation of stem cells and increase of bone-bonding ability in vivo using urease-treated titanium coated with calcium phosphate and gelatin, Sci. Technol. Adv. Mater, 14 (2013) 055001. DOI: 10.1088/1468-6996/14/5/055001