מליגנין של צמחים לחומר שעשוי לסייע בהתחדשות עצם

חוקרים מהאוניברסיטה העברית הראו בתנאי מעבדה כי סוג מסוים של ליגנין יכול לעודד היווצרות הידרוקסיאפטיט, המינרל המרכזי בעצמות ובשיניים

ליגנין, החומר הקשיח המסייע לצמחים ולעצים לעמוד זקופים, עשוי לשמש בעתיד בסיס לחומרים המסייעים בשיקום עצמות. מחקר בהובלת ד"ר סרינת פלאקורתי ופרופ' רבקה אלבאום מהאוניברסיטה העברית מראה כי ניתן לעבד ליגנין כך שיעודד היווצרות של מינרל דמוי עצם.

הממצאים פורסמו בכתב העת ACS Biomaterials Science & Engineering. המחקר נערך בשיתוף כריסטין פילץ־אלן ופרופ' פטר פראצל ממכון מקס פלאנק לקולואידים וממשקים בגרמניה.

ליגנין הוא אחד הפולימרים הטבעיים הנפוצים ביותר בכדור הארץ. הוא מעניק לצמחים חוזק מבני ומסייע להם לעמוד בפני לחצים סביבתיים. כמויות גדולות של ליגנין נוצרות כתוצר לוואי של תעשיות הנייר, העץ והדלקים הביולוגיים, אך רק חלק קטן מהן משמש כיום לייצור חומרים בעלי ערך גבוה.

שני סוגי ליגנין מאותו צמח

המבנה הכימי של ליגנין מורכב ומשתנה בין מיני צמחים ואף בין רקמות שונות באותו צמח. השונות הזאת הקשתה עד כה לחזות כיצד יתנהג כחומר רפואי.

כדי להתמודד עם הבעיה הפיקו החוקרים מצמחי דורה שני סוגי ליגנין בעלי מבנה כימי שונה. הם בחנו את החומרים בנפרד ובשילוב עם סיליקה – חומר טבעי נוסף שצמחים משלבים ברקמותיהם.

הניסויים הראו כי אחד מסוגי הליגנין, שהיה עשיר בקבוצות הידרוקסיל פנוליות, שימש תבנית יעילה להיווצרות הידרוקסיאפטיט. זהו מינרל המבוסס על סידן וזרחן, המעניק לעצמות ולשיניים חלק ניכר מחוזקן.

בתוך כשבועיים החלה הצטברות של סידן על פני החומר. בהמשך הצטבר גם זרחן, ולאורך ארבעה שבועות נוצרו גבישים בעלי מאפיינים הדומים למינרל שבעצמות.

לעודד את הגוף לבנות מינרל

חומר המיועד לשמש פיגום להתחדשות עצם אינו צריך רק למלא חלל. רצוי שהוא יספק לתאים סביבה התומכת בהיצמדות, בהתפתחות ובהנחת מינרלים חדשים.

ביו־חומר המעודד היווצרות הידרוקסיאפטיט נחשב "ביו־אקטיבי", משום שהוא משתתף בתהליך הביולוגי ולא משמש רק תמיכה מכנית.

החוקרים מצאו כי הרכבו המדויק של הליגנין קבע את מידת הביו־אקטיביות. התוצאה מצביעה על כך שלא די לבחור חומר שמקורו בצמח; יש לזהות ולשלוט בקבוצות הכימיות המאפשרות לו לקשור סידן ולתמוך ביצירת הגבישים.

שילוב עם סיליקה

החוקרים יצרו גם תרכובות המשלבות ליגנין וסיליקה. החומרים המשולבים הפגינו התאמה טובה יותר לתאים וקצב פירוק מבוקר בתנאים המדמים את הסביבה הפיזיולוגית.

פירוק הדרגתי הוא תכונה חשובה של פיגום רפואי. המבנה הזמני אמור לספק תמיכה בשלבים הראשונים, אך בהמשך להתפרק ולאפשר לרקמה חדשה לתפוס את מקומו.

בניסויי תרבית לא נמצאה פגיעה משמעותית בחיוניותם של תאים קדם־אוסטאובלסטיים, שמהם מתפתחים תאים בוני עצם. התאים הצליחו להיצמד לחומרים ולהמשיך לגדול.

מחקר מוקדם בתנאי מעבדה

למרות הכותרת המבטיחה, החומר עדיין אינו מסוגל "לבנות מחדש" עצם בגוף האדם. הניסויים נערכו בתנאי מעבדה ולא בדקו תיקון של שבר בבעל חיים או באדם.

טרם נבדקו במלואן החוזק המכני של החומר, התנהגותו בתוך הגוף, תגובת מערכת החיסון ויכולתו לתמוך ביצירת רקמת עצם חיה הנושאת עומס.

אם יעמוד בבדיקות נוספות, היתרון האפשרי יהיה כפול: יצירת חומר רפואי ממקור צמחי מתחדש וניצול ליגנין שנותר כיום כתוצר לוואי בכמויות גדולות.

השלבים הבאים צפויים לכלול התאמת מבנה החומר לסוגים שונים של פגיעות עצם, בדיקות בבעלי חיים ובחינת האפשרות לייצר ממנו פיגומים תלת־ממדיים.

שאלות ותשובות

האם אפשר כבר להשתמש בחומר לתיקון עצמות בבני אדם? לא. המחקר נמצא בשלב מעבדתי מוקדם, ועדיין לא נערכו ניסויים קליניים.

מדוע הידרוקסיאפטיט חשוב להתחדשות עצם? זהו המינרל המרכזי בעצמות ובשיניים. יכולתו של חומר לעודד את היווצרותו היא מדד חשוב לביו־אקטיביות.

מהו היתרון האפשרי של ליגנין? ליגנין הוא חומר צמחי נפוץ ומתחדש, שאפשר להפיק גם מתוצרי לוואי של חקלאות ותעשייה.

מדוע שילבו החוקרים סיליקה בחומר? השילוב שיפר את התאמת החומר לתאים ואת תכונות הפירוק שלו בתנאים המדמים את סביבת הגוף.

עוד בנושא באתר הידען

• ביו־חומר להדפסה תלת־ממדית של עצמות
• ייצור עצמות בעזרת מדפסת תלת־ממדית
• ננו־חלקיקים מסייעים בצמיחת עצם
• חוקר מהאוניברסיטה העברית פיתח שיטה לעידוד יצירת רקמת עצם
• הטכנולוגיות החמות של חברות המסחור: פיגומים מתכלים להתחדשות רקמות

למאמר המדעי: פתיחת המאמר המדעי