خيار جديد لإصلاح عيوب العظام والغضاريف: مواد الفوسفور الأسود النانوية

قد تؤدي الإصابات والعدوى واستئصال الأورام إلى عيوب عظمية، بينما قد تسبب إصابات المفاصل والتآكل المزمن والأمراض التنكسية تلف الغضروف. تلتئم الكسور المعتادة تدريجياً عند التثبيت الجيد وتوافر التروية الدموية الكافية؛ لكن العيوب الواسعة أو العدوى الشديدة أو نقص التروية أو أذية النسج الرخوة قد تمنع الالتئام وتسبب عدم الالتحام أو فقداً عظمياً قطاعياً.

للغضروف المفصلي قدرة محدودة جداً على الإصلاح الذاتي لأنه شبه عديم الأوعية وقليل الخلايا. بعد العيب كامل السماكة، نادراً ما يضاهي النسيج الإصلاحي الجديد بنية الغضروف الزجاجي الطبيعي أو خواصه الميكانيكية.

يُعد ترقيع العظم الذاتي من الطرق المهمة لعلاج عيوب العظام. ويُؤخذ العظم عادةً من الحرقفة أو العرف الحرقفي ثم يُنقل إلى منطقة العيب. ولأن الطعم الذاتي يمتلك خصائص توليد العظم والتحريض العظمي والتوصيل العظمي، فقد ظل طويلاً من المعايير المهمة في ترقيع العظم.

يتطلب أخذ العظم الذاتي إضافة موضع جراحي آخر، وقد يسبب ألماً في موضع المانح أو ندبة أو عدوى أو تشوهاً أو مضاعفات أخرى. وعندما يكون العيب العظمي واسعاً، قد لا تكفي كمية العظم التي يمكن للمريض توفيرها.

وتشمل الطرق الأخرى زرع العظم الخيفي، وتقنية الغشاء المستحث لـ Masquelet، وتطويل العظم أو نقله بطريقة Ilizarov. ولكل منها استطباباته، مع احتمال رفض مناعي أو عدوى أو الحاجة إلى عمليات متعددة أو طول فترة العلاج أو استخدام مثبت خارجي مدة طويلة.

تُعد عملية الكسور الدقيقة إحدى الطرق الشائعة لإصلاح الغضروف. يخترق الطبيب الصفيحة العظمية تحت الغضروفية، فيسمح لدم النخاع والخلايا الميزنشيمية بالدخول إلى منطقة العيب وتكوين نسيج إصلاحي.

الإجراء بسيط نسبياً، لكن النسيج المتشكل حديثاً يكون غالباً غضروفاً ليفياً. تقل مقاومة الغضروف الليفي للاهتراء وخواصه الميكانيكية عن الغضروف الزجاجي الطبيعي في المفصل، وقد يحدث تدهور أو إصابة متكررة على المدى الطويل.

يمكن لزراعة الطعم العظمي الغضروفي الذاتي نقل أسطوانات عظمية غضروفية من منطقة غير حاملة للوزن إلى موضع العيب، لكنها قد تسبب أذية في موقع المانح ولا تناسب عادةً العيوب واسعة المساحة. ويمكن للطعم الخيفي العظمي الغضروفي معالجة عيوب أكبر، مع استمرار قضايا عدوى الطعم والتخزين والمصدر.

كما يمكن استخدام طرق الهندسة النسيجية، مثل زراعة الخلايا الغضروفية الذاتية المحرَّضة بالمصفوفة، لدى بعض المرضى. وغالباً ما تتطلب أخذ الغضروف وزراعة الخلايا خارج الجسم ثم إعادة زرعها، لذلك يكون مسار العلاج معقداً وكلفته مرتفعة.

الفوسفور الأسود مادة طبقية تتكون من عنصر الفوسفور. وعند تحضيرها على هيئة صفائح نانوية لا يتجاوز سمكها بضع طبقات ذرية، تُسمى صفائح الفوسفور الأسود النانوية.

مقارنة بالفوسفور الأبيض والأحمر، يتمتع الفوسفور الأسود بخصائص ميكانيكية وكهربائية وضوئية حرارية جيدة، وبقدرة على تحميل الدواء وتوافق حيوي، لذلك استُخدم على نطاق واسع في أبحاث الإلكترونيات وتوصيل الأدوية وعلاج الأورام وهندسة الأنسجة.

يمكن أن يتحلل الفوسفور الأسود تدريجياً في الماء والبيئات المحتوية على الأكسجين، منتجاً الفوسفات ومواد أخرى حاوية على الفوسفور. وتشير بعض الدراسات إلى أن هذه النواتج قد تشارك في التمعدن الموضعي وتوفر بيئة دقيقة ملائمة لتجدد العظم.

قابلية التحلل لا تثبت أن المادة آمنة تماماً داخل جسم الإنسان. فقد يؤثر معدل التحلل والجرعة وحجم الجسيمات وتعديل السطح والاستقلاب طويل الأمد في النتيجة البيولوجية النهائية.

تعزيز التمعدن الموضعي. ترتبط المكونات غير العضوية الرئيسية للعظم ارتباطاً وثيقاً باستقلاب الكالسيوم والفوسفور. وقد تشارك الفوسفات وغيرها من النواتج الحاوية على الفوسفور التي تظهر بعد تحلل الفوسفور الأسود في التمعدن الموضعي وتعزز تكوّن نسيج شبيه بالعظم.

لا يتحول الفوسفور الأسود مباشرةً إلى عظم. فتجدد العظم عملية معقدة تحتاج إلى الخلايا البانية للعظم والخلايا الجذعية والأوعية الدموية والمصفوفة خارج الخلوية وعوامل النمو وبيئة ميكانيكية مستقرة. ونواتج التحلل الحاوية على الفوسفور عامل واحد محتمل ضمن هذه العملية.

تحسين بيئة نمو الخلايا البانية للعظم. أظهرت بعض التجارب الخلوية أن الهلاميات المائية والسقالات الليفية النانوية والمواد المركبة المحتوية على الفوسفور الأسود تعزز التصاق الخلايا الجذعية الميزنشيمية لنقي العظم وتكاثرها وتمايزها العظمي، وترفع تعبير مؤشرات مرتبطة بتكوين العظم مثل الفوسفاتاز القلوي وBMP-2.

وتشير هذه النتائج إلى أن الفوسفور الأسود قد يعزز تكوين العظم عبر تحسين خصائص سطح المادة وإطلاق الفوسفات وتنظيم البيئة الخلوية الموضعية.

تعزيز تكوّن الأوعية. يحتاج تجدد العظم إلى إمداد دموي كافٍ؛ فالأوعية الجديدة تنقل الأكسجين والمغذيات والخلايا البانية للعظم وعوامل النمو إلى منطقة العيب.

أظهرت بعض الهلاميات المركبة والسقالات المحاكية للسمحاق المحتوية على الفوسفور الأسود في التجارب الحيوانية إمكانية تعزيز هجرة الخلايا البطانية وتكوّن الأوعية وتجدد العظم.

للفوسفور الأسود بنية طبقية ومساحة سطحية نوعية كبيرة، ويمكن استخدامه لتحميل مواد فعالة مثل BMP-2 والإيبوبروفين وأيونات السترونتيوم.

يمكن للباحثين دمج الفوسفور الأسود مع الهلاميات المائية والكريات الدقيقة والسقالات المغزولة كهربائياً، بحيث يتحرر الدواء تدريجياً في منطقة العيب. وتستطيع بعض الأنظمة التجريبية استخدام الضوء القريب من تحت الحمراء لتوليد أثر حراري والتحكم بدرجة أكبر بسرعة إطلاق الدواء.

قد يرفع هذا التصميم المركب، الذي يجمع المادة والدواء، التركيز العلاجي الموضعي ويحد من انتشار الدواء إلى أجزاء أخرى من الجسم.

خلال إصابة الغضروف وتطور الفصال العظمي، قد تظهر موضعياً كميات كبيرة من أنواع الأكسجين والنيتروجين التفاعلية. وتؤذي هذه الجزيئات المؤكسدة الخلايا الغضروفية وتخرب البروتينات والحمض النووي، كما تسرع تدهور المصفوفة خارج الخلوية للغضروف.

للفوسفور الأسود قدرة على التقاط أنواع الأكسجين والنيتروجين التفاعلية. وتبين دراسات خارج الجسم أن صفائح الفوسفور الأسود النانوية يمكن أن تقلل الأذية التأكسدية للخلايا الغضروفية الناتجة عن مواد مثل فوق أكسيد الهيدروجين وأكسيد النتريك.

في تجارب ركبة الجرذان، حُقن معلق صفائح الفوسفور الأسود النانوية في جوف المفصل، ولوحظ انخفاض أنواع الأكسجين التفاعلية وتثبيط الاستجابة الالتهابية وزيادة تصنيع الكولاجين من النمط الثاني والغليكوزأمينوغليكان.

تشير هذه النتائج إلى أن الفوسفور الأسود قد يعمل عبر تخفيف الإجهاد التأكسدي وحماية الخلايا الغضروفية وتحسين بيئة إصلاح الغضروف.

تُعد العدوى المرتبطة بالزرعات العظمية من المضاعفات المهمة عند استخدام المفاصل الاصطناعية والصفائح والبراغي وسقالات إصلاح العظم.

للفوسفور الأسود خصائص استجابة ضوئية حرارية وصوتية ديناميكية. ففي بعض الأنظمة التجريبية يولد التشعيع بالضوء القريب من تحت الحمراء أثراً حرارياً موضعياً، بينما قد تحفز الموجات فوق الصوتية الفوسفور الأسود لإنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية، بما يؤدي إلى تخريب أغشية الخلايا الجرثومية وأنظمة مضادات الأكسدة فيها.

حاول الباحثون دمج الفوسفور الأسود مع مواد مثل البوليدوبامين لصنع طلاءات سطحية لزرعات التيتانيوم، بهدف تحسين التوافق الحيوي والنشاط المضاد للجراثيم والاندماج العظمي في آن واحد.

ولا يعني ذلك أن طلاءات الفوسفور الأسود أصبحت قابلة للاستخدام الروتيني في الوقاية من العدوى. فقد تؤذي الحرارة الضوئية المفرطة النسج الطبيعية، كما يجب ضبط جرعات الموجات فوق الصوتية والضوء بدقة. ولا تزال السلامة طويلة الأمد وفعالية الوقاية الفعلية من العدوى بحاجة إلى تجارب بشرية.