나노온난화와 얼음

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 220(2023) 이 기사 인용

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성공적인 장기 또는 조직 장기 보존은 생물의학에 혁명을 가져올 것입니다. 연골 냉동보존은 관절 연골의 보관 수명을 연장시켜 연골 복구를 위한 유망한 골연골 동종 이식(OCA) 이식의 시행을 확대할 수 있는 가능성을 제시합니다. 그러나 냉동보존된 대형 연골은 제한된 온난화 속도로 인해 기존의 대류 가온 접근법으로는 성공적으로 가온할 수 없어 임상적 잠재력을 차단합니다. 여기서는 크기가 크고 손상되지 않은 관절 연골 보존을 위한 나노워밍 및 얼음 없는 냉동 보존 방법을 개발합니다. 우리의 방법은 대류 온난화(4.8°C min-1)보다 한 단계 더 높은 76.8°C min-1의 가열 속도를 달성합니다. 체계적인 세포 및 조직 수준 테스트를 사용하여 우리는 큰 연골을 보존하는 방법의 탁월한 성능을 보여줍니다. 깊이에 따른 보존 방식도 자기 공명 영상 및 전산 모델링을 통해 관찰되고 요약됩니다. 마지막으로, 우리는 OCA 뼈 측면에 나노입자를 전달하는 것이 우리 방법의 추가 최적화를 위한 실현 가능한 방향이 될 수 있음을 보여줍니다. 이 연구는 대형 관절 연골에 대한 나노워밍 및 얼음 없는 냉동 보존의 적용을 개척하고 미래 기술 개발을 위한 귀중한 통찰력을 제공하여 냉동 보존 연골의 임상 적용을 위한 길을 열었습니다.

장기 또는 대량 조직 이식은 수백만 명의 생명을 구하고 장기 부전이나 조직 질환으로 고통받는 환자의 삶의 질을 향상시켰습니다1,2. 그러나 이식 준비가 된 장기와 조직의 수는 환자 집단의 요구에 미치지 못합니다. 예를 들어, 2020년에 미국에서는 39,036건의 장기 이식이 수행되었으며 55,121명의 새로운 후보자가 대기자 명단에 추가되었습니다3. 많은 환자들이 장기 이식을 기다리다가 사망합니다. 장기와 조직에 대한 엄청난 미충족 수요에도 불구하고 실망스러운 사실은 많은 장기와 조직이 이식에 적합하지 않고 최대 사후 보존 기한에 도달했기 때문에 폐기된다는 것입니다1,4. 장기 이식의 경우 기증 장기의 최대 70%가 환자에게 도달하기 전에 만료됩니다1,4. 장기 및 조직 보존을 달성하는 것은 활용률을 향상하고 기존 부족을 완화하는 데 중요합니다.

관절 연골 결함은 관절경 시술을 받는 환자의 60~66%에 영향을 미치는 일반적인 무릎 문제입니다5,6,7,8. 관절 연골의 제한된 재생 능력으로 인해 연골 결함은 적절한 수술 없이도 골관절염(OA)으로 발전할 수 있습니다. OA는 2,560만 명 이상의 성인에게 영향을 미치며 미국에서 매년 거의 2,000억 달러에 달하는 관련 비용이 발생합니다9. 인구가 증가하고 노령화됨에 따라 골관절염 환자의 수는 급격히 증가할 것으로 예상됩니다10. 현재 OA에 대한 치료법은 없으며, 이는 이 분야에 대한 지속적인 연구가 필요함을 보여줍니다. 골연골 동종이식(OCA) 이식은 특히 큰 결함이 있는 젊고 신체적으로 활동적인 환자의 경우 OA 진행을 관리하기 위한 매력적인 연골 복구 전략입니다11. 미세 골절, 자가 연골 세포 이식, 골연골 자가 이식 이식 및 새로운 조직 공학 접근법과 같은 다른 치료 옵션과 비교하여 OCA 이식은 결함 부위를 기능성 전층 유리질 연골로 즉시 대체하고 단 한 번의 수술 절차만 필요하며 다음과 같은 문제를 피합니다. 기증자 부위 사망률12,13. OCA 이식은 또한 광범위한 연골 손상, 연골하 뼈 손상 또는 이전 연골 수술에 실패한 환자에게 선호되는 수술 선택입니다12,13. OCA 이식의 평균 10년 생존율은 78.7%14이며, 75~88%의 환자가 이식 후 스포츠로 복귀할 수 있습니다15. 연골 복원을 위한 OCA 이식의 임상적 사용은 지난 10년 동안 인기가 높아졌으며16 앞으로 OCA에 대한 수요가 더 커질 것으로 예상됩니다. 그러나 새로운 OCA의 가용성은 제한되어 있습니다. OCA 보관을 위한 현재 표준 저체온 보관 방법은 이식 전 최대 28일 동안만 OCA 기능적 특성을 보존할 수 있습니다17,18. OCA 수확, 운송, 최소 14일의 전염병 검사, 이식편 매칭, 환자 준비 및 기타 관련 물류를 포함한 수술 계획에 필요한 연장된 시간을 고려하면 이 기간은 종종 충분하지 않습니다. 미국에서는 거의 30%의 OCA가 이식되지 않고 폐기되어 OCA 가용성에 더욱 도전하고 OCA 이식의 광범위한 구현을 제한합니다.