به دنبال فضا برای درمان آرتروز

در سال 1976، Alan Grodzinsky ’71, ScD ’74، کمی احساس ناامیدی می کرد.

او دو سال را در بخش مهندسی برق و علوم کامپیوتر MIT به تدریس یک دوره پایه در زمینه فیزیک نیمه هادی ها و مدارها گذرانده بود و در حین ادامه، مطالب را در زمینه های سریع یاد می گرفت. این هیچ زمانی را برای تحقیق باقی نگذاشت. سپس یک فرصت طلایی به وجود آمد.

گرودزینسکی با کمک ایروینگ لندن فقید، بنیانگذار برنامه هاروارد-MIT در علوم و فناوری بهداشت، برنده یک دوره تعطیلی در بیمارستان کودکان بوستون تحت نظارت مل گلیمچر، رئیس فقید جراحی ارتوپدی و یک محقق پیشگام در زیست شناسی شد. استخوان و کلاژن انسان

گلیمچر می خواست یک پروژه تحقیقاتی در مورد غضروف، ماتریس سخت الیافی که مفاصل را می پوشاند، و در مورد استئوآرتریت، بیماری مزمن و دردناکی که این غضروف را می شکند، آغاز کند.

این برای گرودزینسکی 29 ساله که ScD خود را با مطالعه خواص الکتریکی کلاژن، یکی از اجزای تشکیل دهنده غضروف، به دست آورده بود، مناسب بود. تا پایان سال، او در مسیری بود که از آن زمان تاکنون دنبال می‌کرد: تلاش برای یافتن درمان‌های مؤثر برای آرتروز، علت اصلی درد مزمن و ناتوانی در سراسر جهان. این بیماری بیش از 30 میلیون آمریکایی و صدها میلیون نفر را در سراسر جهان تحت تأثیر قرار می دهد.

«این یک بار مالی بزرگ و بار ناتوانی است. جوزف باکوالتر، جراح ارتوپد و متخصص آرتروز مستقر در آیووا، که گرودزینسکی را برای چندین دهه می‌شناسد، می‌گوید اگرچه کشنده نیست، اما قطعاً به کاهش کیفیت زندگی کمک می‌کند. “هزینه های کلی تعویض مفصل، به طور عمده زانو و لگن، یکی از هزینه های عمده سلامتی ما است.”

بدون برنامه برای درد

سازمان غذا و داروی ایالات متحده هیچ گونه داروی اصلاح کننده بیماری را برای استئوآرتریت تأیید نکرده است – داروهایی که به جای علائم، بیماری زمینه ای را درمان می کنند. گرودزینسکی می‌گوید بیشترین مبتلایان به آنها مسکن‌هایی مانند موترین، تزریق گاه به گاه استروئیدها و در نهایت جراحی تعویض مفصل هستند. سالانه بیش از یک میلیون تعویض مفصل زانو و مفصل ران در ایالات متحده انجام می شود و انتظار می رود با افزایش سن جمعیت این تعداد افزایش یابد.

در حالی که افراد مسن بیشتر مستعد ابتلا به استئوآرتریت هستند، گرودزینسکی بیشتر تحقیقات خود را بر روی افراد جوان تر، به ویژه ورزشکاران زن که اغلب پس از آسیب دیدگی زانو دچار این بیماری می شوند، متمرکز کرده است.

سالانه ده ها هزار زن جوان از ناحیه رباط های متقاطع قدامی زانو آسیب می بینند. گرودزینسکی می‌گوید: «وقتی در MIT درس مربوط به بیومکانیک را تدریس می‌کنم، در مورد آسیب‌های ACL می‌پرسم، و امروز به اندازه گذشته دست‌ها بالا می‌روند. من اخیراً در یک دوره دانشکده پزشکی هاروارد تدریس کردم و از 20 دانشجوی کلاس، چهار زن دچار پارگی ACL شده بودند و یکی در سومین عمل جراحی خود بود.

او می‌گوید که پزشکان می‌توانند این پارگی‌ها را برطرف کنند، اما هم مردان و هم زنانی که از آسیب‌های مفصلی رنج می‌برند همچنان در معرض خطر بالای ابتلا به آرتروز در سال‌های بعد هستند. و در حالی که تعویض زانو می تواند اثرات آرتروز را خنثی کند، پزشکان تمایلی به انجام چنین جراحی بر روی افراد جوان تر ندارند زیرا احتمالاً پس از ساییدگی اولین مفصل مصنوعی نیاز به تکرار خواهد داشت.

باکوالتر می‌گوید: کاشت زانو می‌تواند سال‌ها دوام بیاورد، اما اگر در افراد زیر 40 سال کابوس می‌بینم، زیرا احتمال اینکه آنها به کاشت دیگری نیاز داشته باشند تقریباً زیاد است.

نانوذرات Rx

گرودزینسکی می‌گوید: محققان داروهای موجود را شناسایی کرده‌اند که ممکن است شروع آرتروز را کاهش دهند، اما با این واقعیت که غضروف خون طبیعی ندارد، آنها را با مشکل مواجه می‌کند. وقتی پزشکان برای کاهش التهاب یک استروئید را در مفصل زانو تزریق می‌کنند، بدن بیشتر دارو را قبل از اینکه وارد غضروف شود پاک می‌کند.

برای مقابله با این مشکل، آزمایشگاه او پیشگام تحقیقاتی است که شامل نانوذرات، زانوهای جسد انسان و حتی ماموریت‌هایی به ایستگاه فضایی بین‌المللی است.

برت گایگر و جف ویکوف

گرودزینسکی بیش از چهار دهه پیش با آن تعطیلی شروع کرد، یک واقعیت حیاتی در مورد غضروف آموخت. در حالی که فیبرهای بافتی خود بخشی از پشتیبانی را برای مفاصل ما فراهم می کنند، بسیاری از استحکام آن از خواص الکترواستاتیک آن ناشی می شود. او می‌گوید: «به نظر می‌رسد که تقریباً نیمی از سفتی مکانیکی فشاری غضروف ما به دلیل برهم‌کنش‌های دافعه الکترواستاتیکی بین زنجیره‌های قندی با بار منفی است.

این ماتریکس بافتی با بار منفی همچنین راهی برای رساندن داروها به طور مستقیم به بافت ارائه می‌کند: با بارگذاری آنها در نانوذرات با بار مثبت. تیم گرودزینسکی توانسته است در غضروف زانو جسد انسان نشان دهد که چنین ذرات می توانند با التهاب اولیه و آسیب ناشی از جراحات مقابله کنند.

کار اولیه نانوذرات چندین سال پیش توسط آمبیکا باجپایی، دانشجوی دکترای سابق گرودزینسکی، MNG ’07، PhD ’15، که اکنون استاد دانشگاه نورث ایسترن است، آغاز شد. باجپایی سپس با پائولا هاموند، رئیس بخش مهندسی شیمی MIT، که در استفاده از نانوذرات برای رساندن دارو به تومورهای سرطانی پیشگام بود، همکاری کرد.

او می‌گوید: در آزمایشگاه گرودزینسکی، نانوذرات حاوی دارو به مفاصل حیوانات تزریق می‌شود، درست مانند بیماران انسانی، و «زمانی که آنها داخل شوند، اگر در غلظت مناسب استفاده شوند، می‌توانند باقی بمانند. برای چندین هفته در داخل ماتریکس فیبری قرار گرفته است.

این گروه بر ارائه دو دارویی متمرکز شده است که قبلاً برای استفاده انسانی تأیید شده اند.

یکی دگزامتازون ضد التهابی است که همچنین برای درمان مشکلات تنفسی در برخی از بیماران کووید-19 بستری در بیمارستان با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است. دیگری فاکتور رشد شبه انسولین 1 (IGF-1) است، هورمونی که باعث رشد استخوان و بافت غضروفی می شود و در کودکانی که کوچکتر از حد طبیعی متولد می شوند استفاده می شود.

گرودزینسکی می گوید دگزامتازون تجزیه غضروف را پس از آسیب کاهش می دهد، در حالی که IGF-1 می تواند ترمیم بافت را تقویت کند.

مطالعات حیوانی با استفاده از IGF-1 با همکاری Hammond انجام شده است و آزمایشگاه Grodzinsky این درمان تجربی را با تکیه بر نمونه های افراد مرده به بافت های انسانی نیز گسترش داده است. Garima Dwivedi، محقق فوق دکتری در آزمایشگاه می گوید: تاکنون آزمایشگاه توانسته است قطعاتی از استخوان زانو، غضروف و کپسول مفصل سینوویال را از 45 اهدا کننده دریافت کند.

دوویدی و همکارانش نمونه ها را در چاه هایی که در صفحات پلاستیکی تعبیه شده اند قرار داده و آنها را از نظر متابولیسمی فعال نگه می دارند. سپس یک ضربه مکانیکی اعمال می‌کنند که شبیه آنچه در آسیب زانو اتفاق می‌افتد، می‌شود. این امر مولکول های التهابی به نام سیتوکین ها را آزاد می کند و فرآیندی مشابه آنچه در آرتروز اتفاق می افتد آغاز می کند.

فضای بیرونی

در این کار، محققان نانوذرات را در محیط کشت قرار دادند که نمونه‌های بافت را حمام می‌کند – تکنیکی که می‌توانند در آزمایش‌های آینده در ایستگاه فضایی نیز استفاده کنند، که به آهنربایی برای محققانی که بیماری‌های پیری را مطالعه می‌کنند تبدیل شده است.

دانشمندان برای سال‌ها می‌دانستند که بافت‌های انسان در مدار پایین زمین سریع‌تر از روی زمین پیر می‌شوند، اگرچه دلایل آن تا حدودی مرموز است. یک تجزیه و تحلیل تخمین زد که عضلات و استخوان های فضانوردان در اثر گرانش 10 برابر سریعتر آتروفی می شوند.

کشف چگونگی تعمیر آسیب مفصل ممکن است برای ماموریت‌های فضایی بلندمدت آینده بسیار مهم باشد.

با کمک مالی NIH و ناسا، آزمایشگاه گرودزینسکی در سال‌های 2019 و 2020 نمونه‌هایی از غضروف-استخوان زانو و بافت‌های سینوویوم را به ایستگاه فضایی بین‌المللی فرستاد. آنها امیدوار بودند که تعیین کنند آیا بیماری شبیه آرتروز می‌تواند «در ظرف» شروع شود تا اتفاقی که می‌افتد را شبیه‌سازی کند. در انسان پس از آسیب زانو – استفاده از محیط ریزگرانش برای کاوش و حذف فرآیندهای مکانیکی در محل کار – و تلاش برای درمان آن با دگزامتازون و IGF-1.

او می گوید که نتایج اولیه دلگرم کننده بوده است. در آخرین سفر به ایستگاه فضایی بین‌المللی، آزمایشگاه متوجه شد که هر دو دارو آسیب را در بسیاری از نمونه‌های غضروف کاهش می‌دهند.

گرودزینسکی می‌گوید: «از آنجایی که اکثر محققان این روزها تاکید می‌کنند که احتمالاً یک گلوله جادویی وجود نخواهد داشت، ما معتقدیم که توانایی آزمایش ترکیبی از داروها در شرایط آزمایشگاهی گام مهمی به جلو است.

Dwivedi می‌گوید که کار در ریزگرانش ممکن است برای ماموریت‌های فضایی آینده سودمند باشد. فضانوردانی که برای مقابله با آتروفی که ماهیچه‌ها و استخوان‌ها در شرایط بی‌وزنی از آن رنج می‌برند، به شدت در فضا ورزش می‌کنند، سه برابر بیشتر از افراد روی زمین در معرض آسیب‌های ناشی از ضربه قرار می‌گیرند، بنابراین کشف چگونگی ترمیم آسیب مفاصل ممکن است بسیار مهم باشد. برای ماموریت های فضایی بلند مدت آینده

مربیگری دلسوزانه

به نظر می رسید گرودزینسکی همیشه مقدر شده بود در MIT خانه ای پیدا کند.

او که در لانگ آیلند بزرگ شد، جایی که در مدارس دولتی در حومه پررونق پس از جنگ در ایست میدو تحصیل کرد، گاهی اوقات از برادر بزرگترش، استفن گرودزینسکی 65، اس ام 67، در برتون هاوس دیدن می کرد. او به یاد می آورد که فکر می کرد: “این به نظر من عالی است.”

او به دریافت ScD خود زیر نظر مرحوم جیمز ملچر، مدیر آزمایشگاه سیستم‌های الکترومغناطیسی و الکترونیکی مدرسه رفت. اما به زودی رکود اقتصادی رخ داد و تنها موقعیت هایی که به او پیشنهاد شد، پست دکتری در ساسکاچوان یخی و دستیار استادی در موسیقی و مهندسی در برزیل بود. مربیان او – از جمله یوانیس یاناس، که بیشتر به خاطر اختراع پوست مصنوعی شهرت دارد – او را تشویق کردند که به این سمت ادامه دهد و به او موقعیت تدریس در مهندسی برق را پیشنهاد دادند. او از آن زمان در مؤسسه بوده است.

در سال 1995، MIT مرکز مهندسی بیومدیکال را برای پیشبرد تحقیقات در زمینه جدیدی که آن زمان در آن زمان بود راه اندازی کرد. سه سال بعد، گرودزینسکی به سمت فعلی خود به عنوان مدیر آن انتخاب شد. در آن زمان، با انتصابات مشترک در EECS و مهندسی مکانیک، عضویت هیئت علمی وی به گروه تازه تأسیس مهندسی بیولوژیک تغییر کرد.

گرودزینسکی معتقد است هر موفقیت تحقیقاتی که او به دست آورده است نتیجه مستقیم «دانشجویان فوق العاده دکترا و فوق دکتری هایی است که ما توانستیم در MIT به دست آوریم». آنها نیز به نوبه خود تحت سرپرستی دلسوزانه او پیشرفت کرده اند.

دکتر Dwivedi می‌گوید: «کار کردن با او لذت بخش بوده است، در درجه اول به این دلیل که او به شما استقلال زیادی می‌دهد تا ایده‌های خود را توسعه دهید. و مهم نیست که چه کسی هستید و در چه مرحله ای از حرفه هستید، او با نهایت توجه و احترام به شما گوش می دهد.

WEB CHAPPELL

او همچنین از حمایت شخصی او قدردانی می کند. او می‌گوید هنگامی که والدینش در هند در ماه آوریل به کووید مبتلا شدند، او به من «وقت کاملاً آزاد داد تا به مراقبت از آنها کمک کنم».

گرودزینسکی خود توانسته است از آرتروز جلوگیری کند، اگرچه در سن 74 سالگی در رده خطر اصلی این بیماری قرار دارد.

شاید، او فکر می‌کند، به این دلیل است که علاقه‌اش به عنوان یک موسیقی‌دان او را راحت نگه داشته است. او پس از سال‌ها آموزش پیانو در مدرسه موسیقی خیابان سوم در نیویورک، در مقطع کارشناسی ویولن اصلی ارکستر سمفونیک MIT شد. او همچنین پس از اتمام ScD خود در کوارتت های زهی مستقل نواخت و با همسرش گیل با نواختن موسیقی مجلسی آشنا شد.

پس از اینکه در سن 18 سالگی رسماً به عنوان یک دانش آموز پا به محوطه دانشگاه گذاشت، با لبخند می گوید: “به نوعی، هرگز نتوانستم راهی برای ترک آن پیدا کنم.”