Kolagen z szałwią: przełom w regeneracji kości i implantach

Rynek implantów dentystycznych stale rośnie – w 2023 roku jego wartość oszacowano na 10,4 miliarda dolarów. Kluczowym wyzwaniem pozostaje skrócenie czasu osseointegracji, który może trwać kilka miesięcy, oraz poprawa akceptacji implantu przez osteoblasty. Tradycyjne materiały kolagenowe, choć szeroko stosowane w regeneracji tkanki kostnej, wymagają optymalizacji właściwości fizykochemicznych i biologicznych. Naukowcy z Turcji i Rumunii opracowali nowatorskie kompozyty łączące kolagen typu I z chondroityną (CS) i olejkiem szałwiowym (sage EO), które mogą wspierać regenerację kości dzięki poprawie stabilności strukturalnej i korzystnemu wpływowi na kolonizację komórkową.

Dlaczego połączenie kolagenu, chondroityny i olejku szałwiowego?

Kolagen typu I stanowi główny składnik macierzy pozakomórkowej i odgrywa kluczową rolę w osseointegracji implantów dentystycznych, wspierając regenerację kości i przyczepność tkanek. Chondroityna, naturalny glikozaminoglikan obecny w chrząstce i kości, zwiększa aktywność osteoblastów i wykazuje działanie przeciwzapalne, co może zmniejszać obrzęk pooperacyjny. Badania na zwierzętach potwierdziły, że dodatek CS do kompozytów kolagenowo-hydroksyapatytowych poprawia przebudowę kości od wczesnych etapów gojenia.

Olejek szałwiowy znany jest z właściwości przeciwgrzybiczych, przeciwzapalnych, antybakteryjnych i antyoksydacyjnych. Wykazano, że ekstrakt szałwii w płynie do płukania jamy ustnej skutecznie działa przeciw zapaleniu dziąseł, a Salvia officinalis redukuje kolonizację mikrobiologiczną na powierzchni implantów dentystycznych. Dotychczas jednak nie badano synergicznego działania tych trzech składników w kontekście scaffoldów do regeneracji kości.

Jak zaprojektowano i przygotowano kompozyty?

Autorzy opracowali sześć wariantów gąbek kolagenowych (CS1–CS6) oraz próbkę kontrolną zawierającą wyłącznie kolagen (Coll). Kompozyty różniły się stężeniem chondroityny (0,3% lub 0,6%) oraz olejku szałwiowego (0,001% lub 0,002%). Olejek szałwiowy pozyskano z Salvia officinalis metodą destylacji wodnej, a jego skład określono za pomocą chromatografii gazowej sprzężonej ze spektrometrią mas (GC-MS). Głównymi składnikami olejku były eukaliptol (24,84%), kamfora (18,71%), tujon (16,02%) i trans-kariofillen (12,44%).

Żele kolagenowe z dodatkiem CS i olejku szałwiowego dostosowano do pH fizjologicznego (7,2–7,4), usieciowano glutaraldehydem i poddano liofilizacji w temperaturze od -40°C do 35°C przez kilkadziesiąt godzin. Uzyskane gąbki scharakteryzowano pod kątem wchłaniania wody, stabilności w roztworze kolagenazy, struktury (FT-IR, SEM) oraz biokompatybilności z linią komórkową MG63 (ludzkie osteosarcoma).

Jakie właściwości fizykochemiczne wykazały nowe scaffoldy?

Testy wchłaniania wody ujawniły, że próbki zawierające wyłącznie kolagen i olejek szałwiowy (CS1, CS2) wchłaniały mniej wody niż kontrola – maksymalnie 28,16 g/g (CS1) i 31,73 g/g (CS2) w porównaniu z 35,96 g/g dla Coll. Autorzy tłumaczą to hydrofobowymi właściwościami składników olejku, takimi jak kamfora czy eukaliptol. Dodatek chondroityny, o charakterze hydrofilnym, zwiększał wchłanianie wody – próbki CS3 i CS4 osiągnęły odpowiednio 57,86 g/g i 43,77 g/g. Kompozyty łączące wszystkie trzy składniki (CS5, CS6) wykazały wartości pośrednie – około 38,49 g/g i 36,01 g/g. Maksymalne wchłanianie następowało w ciągu pierwszej godziny, a równowaga była osiągana po 24 godzinach.

Degradacja enzymatyczna w roztworze kolagenazy (10⁻⁶ mg/mL) przez 11 dni wykazała najwyższą odporność próbek zawierających olejek szałwiowy. CS1 utraciła jedynie 11,27% masy, a CS2 – 9,17%. Próbka CS3, zawierająca najwyższe stężenie chondroityny bez olejku, uległa całkowitej degradacji już po godzinie. Kompozyty CS5 i CS6 degradowały się całkowicie dopiero po 8–9 dniach. Wyniki korelują z absorpcją wody i wskazują, że olejek szałwiowy działa stabilizująco, prawdopodobnie poprzez sieciowanie jego składników (aldehydy, ketony) z kolagenem oraz potencjalny efekt hamujący na kolagenazę.

Spektroskopia FT-IR potwierdziła zachowanie charakterystycznej struktury kolagenu (pasma Amid I–III) we wszystkich próbkach. Obecność chondroityny skutkowała przesunięciem piku z 1080 cm⁻¹ (Coll) do 1066–1070 cm⁻¹. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) uwidoczniła strukturę o wzajemnie połączonych porach – kontrolna gąbka Coll miała pory o wielkości 100–200 μm, podczas gdy próbki z olejkiem szałwiowym wykazywały bardziej zwarte struktury z mniejszymi porami, a dodatek CS prowadził do bardziej jednorodnych struktur.

Czy kompozyty są bezpieczne i wspierają wzrost komórek kostnych?

Testy cytotoksyczności (LDH assay) wykazały, że żaden z ekstraktów scaffoldów nie wywierał działania cytotoksycznego na komórki MG63. Test żywotności (XTT assay) po 24 i 48 godzinach potwierdził, że wszystkie próbki (CS1–CS6) wspierały żywotność komórek na poziomie porównywalnym z kontrolą Coll, bez istotnych różnic statystycznych.

Długoterminowa hodowla komórek MG63 zaszczepiona na scaffoldy przez okres do 6 tygodni dostarczyła kluczowych informacji o zdolności materiałów do wspierania trójwymiarowego wzrostu komórkowego. Barwienie hematoksyliną i eozyną wykazało, że wszystkie próbki (poza CS3, która uległa całkowitej degradacji po 24 h w pożywce hodowlanej) utrzymały integralność strukturalną i umożliwiły wzrost osteoblastów nie tylko na powierzchni, ale również wewnątrz porów scaffoldów.

Po 2 tygodniach wszystkie próbki wspierały wzrost komórek podobnie do kontroli. Jednak po 6 tygodniach w próbkach CS1 i CS2 komórki były mniej liczne w porównaniu z kontrolą, podczas gdy scaffoldy CS4, CS5 i CS6 nie tylko wspierały wzrost komórkowy, ale także promowały odkładanie obfitej macierzy pozakomórkowej. Barwienie trichromem Gomoriego potwierdziło, że nowo utworzony kolagen (barwiony na niebiesko) był obecny głównie w próbkach CS4–CS6, co wskazuje, że macierz wydzielana przez komórki MG63 składała się głównie z kolagenu. Nie zaobserwowano jednak kalcyfikacji w zastosowanych warunkach hodowli.

Jakie mechanizmy odpowiadają za korzystne właściwości kompozytów?

Autorzy sugerują, że zwiększona kolonizacja komórkowa i odkładanie macierzy pozakomórkowej w próbkach CS4–CS6 wynika z obecności chondroityny, która odgrywa kluczową rolę w różnicowaniu osteogenicznym. Wcześniejsze badania potwierdziły, że włączenie chondroityny do różnych biomateriałów korzystnie wpływa na regenerację kości. Dodatkowo obecność olejku szałwiowego może przyczyniać się do tworzenia korzystnego mikrośrodowiska dla wzrostu komórek i integracji tkanki dzięki właściwościom przeciwzapalnym i antyoksydacyjnym.

„Kontrolowana inkorporacja chondroityny i olejku szałwiowego do scaffoldów kolagenowych wydaje się obiecującym podejściem do wspomagania regeneracji tkanki kostnej” – piszą autorzy badania. Wyniki wskazują, że synergiczne działanie tych składników może poprawić zarówno właściwości mechaniczne scaffoldów (odporność na degradację, struktura porów), jak i biologiczne (biokompatybilność, wsparcie wzrostu komórkowego).

Jakie są ograniczenia badania i kierunki przyszłych prac?

Głównym ograniczeniem badania jest jego charakter in vitro – wszystkie testy przeprowadzono na linii komórkowej MG63, bez oceny długoterminowej integracji z tkanką kostną w warunkach in vivo. Nie zaobserwowano kalcyfikacji w zastosowanych warunkach hodowli, co sugeruje, że do promowania procesu mineralizacji konieczne może być zastosowanie specyficznych warunków różnicowania osteogenicznego.

Autorzy podkreślają potrzebę dalszych badań na modelach zwierzęcych w celu oceny skuteczności scaffoldów w regeneracji ubytków kostnych oraz osseointegracji implantów dentystycznych. Konieczna jest także optymalizacja składu – szczególnie proporcji chondroityny i olejku szałwiowego – aby zbalansować właściwości fizykochemiczne (stabilność, biodegradowalność) z biologicznymi (wsparcie wzrostu i różnicowania komórek). Długoterminowe badania kliniczne mogą dostarczyć danych o bezpieczeństwie i skuteczności tych materiałów u pacjentów.

Co to oznacza dla praktyki klinicznej w regeneracji kości?

Opracowane kompozyty na bazie kolagenu, chondroityny i olejku szałwiowego stanowią obiecującą platformę dla scaffoldów w inżynierii tkankowej kości. Wykazują zwiększoną odporność na degradację enzymatyczną, zachowują biokompatybilność i wspierają trójwymiarowy wzrost osteoblastów z odkładaniem macierzy pozakomórkowej. Szczególnie warianty CS4, CS5 i CS6 wyróżniają się korzystnymi właściwościami biologicznymi, co może mieć znaczenie w zastosowaniach takich jak poprawa osseointegracji implantów dentystycznych, regeneracja ubytków kostnych w ortopedii czy opatrunki dla ran wymagających wsparcia regeneracyjnego.

Kontrolowana inkorporacja chondroityny i olejku szałwiowego może umożliwić dostosowanie właściwości scaffoldów do specyficznych potrzeb klinicznych – od szybko degradujących się materiałów wspomagających gojenie ran po stabilne scaffoldy dla długoterminowej regeneracji kości. Przed wdrożeniem do praktyki klinicznej konieczne są jednak dalsze badania in vivo oraz optymalizacja składu w kontekście promowania kalcyfikacji i długoterminowej integracji z tkanką kostną. Wyniki te otwierają nowe perspektywy w projektowaniu biomateriałów regeneracyjnych o zoptymalizowanych właściwościach fizykochemicznych i biologicznych.