มองหาพื้นที่รักษาโรคข้อเข่าเสื่อม
ในปี 1976 Alan Grodzinsky ’71, ScD ’74 รู้สึกหงุดหงิดเล็กน้อย
เขาใช้เวลาสองปีในการสอนหลักสูตรพื้นฐานเกี่ยวกับฟิสิกส์เซมิคอนดักเตอร์และวงจรในภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาการคอมพิวเตอร์ของ MIT และเรียนรู้เนื้อหาในสาขาที่เคลื่อนที่เร็วในขณะที่เขาเรียนอยู่ ที่ไม่ได้ปล่อยให้เขามีเวลาสำหรับการวิจัยใดๆ จากนั้นโอกาสทองก็เกิดขึ้น
ด้วยความช่วยเหลือจากเออร์วิง ลอนดอน ผู้ล่วงลับไปแล้ว ผู้ก่อตั้งโครงการ Harvard-MIT ด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีด้านสุขภาพ Grodzinsky ชนะการพักรักษาตัวที่โรงพยาบาลเด็กบอสตันภายใต้การให้คำปรึกษา ของ Mel Glimcher หัวหน้าแผนกศัลยกรรมกระดูกและข้อและผู้บุกเบิกด้านชีววิทยาของกระดูกมนุษย์และคอลลาเจน
Glimcher ต้องการเริ่มโครงการวิจัยเกี่ยวกับกระดูกอ่อนซึ่งเป็นเมทริกซ์ที่เหนียวของเส้นใยที่ เรียงตามข้อต่อ และในโรคข้อเข่าเสื่อม ซึ่งเป็นโรคเรื้อรังและเจ็บปวดที่ทำให้กระดูกอ่อนแตก
เหมาะอย่างยิ่งสำหรับ Grodzinsky วัย 29 ปีที่ได้รับการศึกษา ScD คุณสมบัติทางไฟฟ้าของคอลลาเจน ซึ่งเป็นองค์ประกอบหนึ่งของกระดูกอ่อน ภายในสิ้นปี เขาอยู่บนเส้นทางที่เขาเดินตามนับตั้งแต่นั้นมา: พยายามค้นหาวิธีรักษาโรคข้อเข่าเสื่อมที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญของอาการปวดเรื้อรังและความทุพพลภาพทั่วโลก มันส่งผลกระทบกับคนอเมริกันมากกว่า 30 ล้านคนและหลายร้อยล้านคนทั่วโลก
“ มันเป็นภาระทางการเงินมหาศาลและความทุพพลภาพ และแม้ว่าจะไม่เป็นอันตรายถึงชีวิต แต่ก็มีส่วนทำให้สูญเสียคุณภาพชีวิตอย่างแน่นอน” โจเซฟ บัควอลเตอร์ ศัลยแพทย์กระดูกและข้อและผู้เชี่ยวชาญด้านโรคข้อเข่าเสื่อมในไอโอวา ซึ่งรู้จัก Grodzinsky มานานหลายทศวรรษกล่าว “ค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนข้อทั้งหมด ซึ่งส่วนใหญ่อยู่ที่หัวเข่าและสะโพก เป็นค่าใช้จ่ายด้านสุขภาพที่สำคัญอย่างหนึ่งของเรา”
ไม่มีแผนสำหรับความเจ็บปวด
สำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาแห่งสหรัฐอเมริกา (FDA) ไม่ได้อนุมัติยาแก้ไขโรคสำหรับโรคข้อเข่าเสื่อม—ยาที่รักษาสภาพพื้นฐานมากกว่าเพียงแค่อาการ Grodzinsky กล่าวว่าผู้ที่ประสบภัยส่วนใหญ่สามารถคาดหวังได้เช่นยาแก้ปวดเช่น Motrin การฉีดสเตียรอยด์เป็นครั้งคราวและการผ่าตัดเปลี่ยนข้อในที่สุด ในแต่ละปีสหรัฐอเมริกาทำการผ่าตัดเปลี่ยนข้อเข่าและสะโพกมากกว่าหนึ่งล้านครั้ง และคาดว่าจำนวนจะเพิ่มขึ้นตามอายุของประชากร
ในขณะที่ผู้สูงอายุมีโอกาสเป็นโรคข้อเข่าเสื่อมได้มากที่สุด Grodzinsky มี เน้นการวิจัยส่วนใหญ่ของเขาเกี่ยวกับคนหนุ่มสาวโดยเฉพาะนักกีฬาหญิงซึ่งมักจะพัฒนาสภาพหลังจากได้รับบาดเจ็บที่เข่า
หญิงสาวหลายหมื่นคนได้รับบาดเจ็บที่เอ็นไขว้หน้าหัวเข่า ปี. “เมื่อฉันสอนหลักสูตรที่ MIT เกี่ยวกับชีวกลศาสตร์” Grodzinsky กล่าว “ฉันถามเกี่ยวกับอาการบาดเจ็บของ ACL และวันนี้ก็ยกมือขึ้นมากเหมือนในอดีต ฉันสอนหลักสูตร Harvard Medical School เมื่อเร็วๆ นี้ และจากนักเรียน 20 คนในชั้นเรียน ผู้หญิงสี่คนได้รับบาดเจ็บจาก ACL และหนึ่งในนั้นอยู่ในการผ่าตัดครั้งที่สามของเธอ”
แพทย์สามารถแก้ไขน้ำตาเหล่านี้ได้ เขากล่าว แต่ทั้งชายและหญิงที่ได้รับบาดเจ็บที่ข้อต่อยังคงมีความเสี่ยงสูงที่จะเป็นโรคข้อเข่าเสื่อมในปีต่อ ๆ ไป และในขณะที่การเปลี่ยนข้อเข่าสามารถรับมือกับผลกระทบจากโรคข้อเข่าเสื่อมได้ แต่แพทย์กลับไม่เต็มใจที่จะดำเนินการดังกล่าวกับผู้ที่อายุน้อยกว่า เนื่องจากอาจจำเป็นต้องทำการผ่าตัดซ้ำหลังจากที่ข้อเทียมข้อแรกเสื่อมสภาพ
ข้อเข่า การปลูกถ่ายสามารถทำได้หลายปี Buckwalter กล่าว แต่ “ฉันคงฝันร้ายที่จะทำในคนที่อายุต่ำกว่า 40 ปีเพราะโอกาสเกือบจะล้นหลามที่พวกเขาจะต้องมีอีกอันหนึ่ง”
อนุภาคนาโน Rx
นักวิจัยได้ระบุยาที่มีอยู่ซึ่งอาจบรรเทาอาการของโรคข้อเข่าเสื่อม แต่พวกเขาถูกขัดขวางโดยข้อเท็จจริงที่ว่ากระดูกอ่อนไม่มีปริมาณเลือดตามธรรมชาติ Grodzinsky กล่าว เมื่อแพทย์ฉีดสเตียรอยด์ที่ข้อเข่าเพื่อลดการอักเสบ ร่างกายจะล้างยาส่วนใหญ่ก่อนที่จะเข้าสู่กระดูกอ่อน
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ห้องปฏิบัติการของเขาได้บุกเบิกการวิจัยเกี่ยวกับ อนุภาคนาโน เข่าของซากศพมนุษย์ และแม้แต่ภารกิจสู่สถานีอวกาศนานาชาติ
BRETT GEIGER และ JEFF WYCKOFF
เริ่มต้นด้วยช่วงวันหยุดมากกว่านั้น เมื่อสี่ทศวรรษที่แล้ว Grodzinsky ได้เรียนรู้ข้อเท็จจริงที่สำคัญเกี่ยวกับกระดูกอ่อน แม้ว่าเส้นใยเนื้อเยื่อจะให้การสนับสนุนข้อต่อของเรา แต่ความแข็งแกร่งส่วนใหญ่มาจากคุณสมบัติไฟฟ้าสถิต “ปรากฎว่าประมาณครึ่งหนึ่งของความฝืดเชิงกลอัดของกระดูกอ่อนของเรานั้นเกิดจากการโต้ตอบกันของไฟฟ้าสถิตระหว่างโซ่น้ำตาลที่มีประจุลบ” เขากล่าว
เมทริกซ์เนื้อเยื่อที่มีประจุลบนี้ยังเสนอวิธีการ ส่งยาเข้าสู่เนื้อเยื่อโดยตรง: โดยการใส่เข้าไปในอนุภาคนาโนที่มีประจุบวก ทีมงานของ Grodzinsky สามารถแสดงให้เห็นในกระดูกอ่อนหัวเข่าของซากศพมนุษย์ว่าอนุภาคดังกล่าวสามารถต้านการอักเสบในระยะแรกและความเสียหายที่เกิดจากการบาดเจ็บได้
งานอนุภาคนาโนเริ่มต้นขึ้นเมื่อหลายปีก่อนโดย Ambika Bajpayee อดีตนักศึกษาปริญญาเอกของ Grodzinsky, MNG ’07, PhD ’15 ซึ่งปัจจุบันเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัย Northeastern จากนั้น Bajpayee ได้ร่วมมือกับ Paula Hammond หัวหน้าแผนกวิศวกรรมเคมีของ MIT ผู้บุกเบิกการใช้อนุภาคนาโนเพื่อส่งยาไปยังเนื้องอกมะเร็ง
ในห้องทดลอง Grodzinsky อนุภาคนาโนที่ประกอบด้วยยาจะถูกฉีดเข้าไปในข้อต่อของสัตว์ เหมือนกับที่พวกมันทำในผู้ป่วยที่เป็นมนุษย์ เขากล่าว และ “เมื่อพวกมันเข้าไปข้างในแล้ว ใช้ในระดับความเข้มข้นที่เหมาะสม พวกมันสามารถอยู่ภายในได้หลายสัปดาห์” ซึ่งตั้งอยู่ในเมทริกซ์เส้นใย
ทางกลุ่มฯ มุ่งที่จะส่งมอบยาสองชนิดที่ได้รับการอนุมัติให้ใช้กับมนุษย์แล้ว
หนึ่งคือ dexamethasone ต้านการอักเสบซึ่งยังถูกนำมาใช้อย่างประสบความสำเร็จในการรักษาปัญหาการหายใจในผู้ป่วย covid-19 ที่เข้ารับการรักษาในโรงพยาบาลบางราย อีกอย่างคืออินซูลิน-like growth factor 1 (IGF-1) ซึ่งเป็นฮอร์โมนที่ส่งเสริมการเจริญเติบโตของกระดูกและเนื้อเยื่อกระดูกอ่อนและถูกใช้ในเด็กที่เกิดมาตัวเล็กกว่าปกติ
เดกซาเมทาโซนลดน้อยลง Grodzinsky กล่าวว่าการสลายตัวของกระดูกอ่อนหลังได้รับบาดเจ็บ ในขณะที่ IGF-1 สามารถส่งเสริมการซ่อมแซมเนื้อเยื่อได้
การศึกษาในสัตว์โดยใช้ IGF-1 ได้ดำเนินการร่วมกับ Hammond และห้องปฏิบัติการของ Grodzinsky ได้ดำเนินการ ขยายการทดลองนี้ไปยังเนื้อเยื่อของมนุษย์ด้วย โดยอาศัยตัวอย่างจากคนตาย จนถึงตอนนี้ ห้องปฏิบัติการสามารถรับชิ้นส่วนของกระดูกเข่า กระดูกอ่อน และข้อต่อไขข้อจากผู้บริจาค 45 ราย Garima Dwivedi นักวิจัยด้านดุษฏีบัณฑิตในห้องปฏิบัติการกล่าว
Dwivedi และเพื่อนร่วมงานของเธอได้นำตัวอย่างไปใส่ในบ่อน้ำที่สร้างไว้ในแผ่นพลาสติกและคงไว้ซึ่งกระบวนการเผาผลาญ จากนั้นจึงใช้แรงกระแทกทางกลที่เลียนแบบสิ่งที่เกิดขึ้นในอาการบาดเจ็บที่เข่า ที่ปล่อยโมเลกุลการอักเสบที่เรียกว่า cytokines และเริ่มกระบวนการคล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นในโรคข้อเข่าเสื่อม
นอกอวกาศ
ในงานนี้ นักวิจัยได้ใส่อนุภาคนาโนลงในอาหารเลี้ยงเชื้อที่อาบตัวอย่างเนื้อเยื่อ ซึ่งเป็นเทคนิคที่พวกเขาสามารถใช้ในการทดลองในอนาคตบนสถานีอวกาศ ซึ่งได้กลายเป็นแม่เหล็กดึงดูดนักวิจัยที่กำลังศึกษาโรคของการชราภาพ
นักวิทยาศาสตร์ทราบมาหลายปีแล้วว่าเนื้อเยื่อของมนุษย์มีอายุได้เร็วกว่าในวงโคจรของโลกที่ต่ำกว่าบนโลก แม้ว่าเหตุผลจะค่อนข้างลึกลับ การวิเคราะห์หนึ่งประเมินว่ากล้ามเนื้อและกระดูกของนักบินอวกาศจะฝ่อเร็วขึ้น 10 เท่าในสภาวะไร้น้ำหนัก
การค้นหาวิธีการซ่อมแซมความเสียหายของข้อต่ออาจมีความสำคัญสำหรับระยะยาวในอนาคต ภารกิจอวกาศ.
ด้วยเงินทุนจาก NIH และ NASA ห้องทดลองของ Grodzinsky ได้ส่งตัวอย่างปลั๊กกระดูกอ่อน-กระดูกและเนื้อเยื่อไขข้อไปยังสถานีอวกาศนานาชาติในปี 2019 และ 2020 พวกเขาหวังว่าจะตรวจสอบว่าโรคคล้ายข้อเข่าเสื่อมสามารถเริ่ม “ในจาน” เพื่อจำลองสิ่งที่เกิดขึ้นในมนุษย์หลังจากได้รับบาดเจ็บที่เข่าหรือไม่ —ใช้สภาพแวดล้อมที่ไร้น้ำหนักเพื่อสำรวจและกำจัดกระบวนการทางกลในที่ทำงาน—และลองบำบัดด้วยเดกซาเมทาโซนและ IGF-1
ผลลัพธ์เบื้องต้นได้รับกำลังใจแล้ว เขากล่าว ในการเดินทางไปสถานีอวกาศนานาชาติครั้งล่าสุด ห้องปฏิบัติการพบว่ายาทั้งสองชนิดลดความเสียหายในตัวอย่างกระดูกอ่อนจำนวนมาก
“เนื่องจากนักวิจัยส่วนใหญ่ในทุกวันนี้เน้นว่าไม่น่าจะมีกระสุนวิเศษแม้แต่ครั้งเดียว เราเชื่อว่าความสามารถในการทดสอบส่วนผสมของยาในหลอดทดลองเป็นก้าวที่สำคัญ” Grodzinsky กล่าว
การทำงานในสภาวะไร้น้ำหนักอาจจ่ายเงินปันผลสำหรับภารกิจอวกาศในอนาคตด้วย Dwivedi กล่าว นักบินอวกาศที่ออกกำลังกายอย่างหนักในอวกาศเพื่อต่อต้านการฝ่อที่กล้ามเนื้อและกระดูกมักจะประสบในสภาวะที่ไม่มีน้ำหนัก มีแนวโน้มที่จะได้รับบาดเจ็บจากการกระแทกมากกว่าคนบนโลกถึงสามเท่า เธอกล่าว การค้นหาวิธีซ่อมแซมความเสียหายของข้อต่ออาจมีความสำคัญ สำหรับภารกิจอวกาศระยะยาวในอนาคต
การให้คำปรึกษาที่มีน้ำใจ
Grodzinsky ดูเหมือนลิขิตให้หาบ้านที่ MIT มาโดยตลอด
เติบโตขึ้นมาในลองไอส์แลนด์ซึ่งเขาเข้าเรียนในโรงเรียนของรัฐในย่านชานเมือง East Meadow ที่เฟื่องฟูหลังสงคราม บางครั้งเขาก็ไปเยี่ยมพี่ชายของเขา Stephen Grodzinsky ’65, SM ’67 ที่ Burton House เขาจำได้ว่าเคยคิดว่า “นี่ดูดีมากสำหรับฉัน”
เขาไปรับ ScD ของเขาภายใต้ James Melcher ผู้ล่วงลับไปแล้ว ผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการสำหรับระบบแม่เหล็กไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ของโรงเรียน แต่ในไม่ช้าก็เกิดภาวะเศรษฐกิจถดถอย และตำแหน่งเดียวที่เขาได้รับคือ postdoc ในซัสแคตเชวันน้ำแข็งและผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านดนตรีและวิศวกรรมในบราซิล ที่ปรึกษาของเขา รวมถึง Ioannis Yannas ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในเรื่องการประดิษฐ์ผิวหนังเทียม กระตุ้นให้เขาอยู่ต่อไป โดยเสนอตำแหน่งการสอนด้านวิศวกรรมไฟฟ้าให้กับเขา เขาอยู่ที่สถาบันตั้งแต่นั้นมา
ในปี 2538 MIT ได้จัดตั้งศูนย์วิศวกรรมชีวการแพทย์เพื่อความก้าวหน้าในการวิจัยในสาขาใหม่ สามปีต่อมา Grodzinsky ได้รับการเสนอชื่อให้ดำรงตำแหน่งปัจจุบันในฐานะผู้อำนวยการ ในเวลานั้น คณะที่สังกัดของเขาได้เปลี่ยนไปเป็นภาควิชาวิศวกรรมชีวภาพที่ตั้งขึ้นใหม่ โดยมีการแต่งตั้งร่วมกันใน EECS และวิศวกรรมเครื่องกล
Grodzinsky เชื่อว่าความสำเร็จในการวิจัยใดๆ ก็ตามที่เขาได้รับนั้นเป็นผลลัพธ์โดยตรง ของ “นักศึกษาปริญญาเอกและ postdocs จำนวนมากที่เราสามารถรับได้ที่ MIT” ในทางกลับกัน พวกเขาประสบความสำเร็จภายใต้การให้คำปรึกษาด้วยความเห็นอกเห็นใจของเขา
“รู้สึกยินดีเป็นอย่างยิ่งที่ได้ร่วมงานกับเขา หลักๆ แล้ว เพราะเขาให้อิสระกับคุณมากสำหรับความคิดของคุณเองที่จะพัฒนา” กล่าว postdoc ทวิเวที. “และไม่ว่าคุณจะเป็นใครและอยู่ในอาชีพไหน เขาก็รับฟังคุณด้วยความเอาใจใส่และเคารพอย่างสูงสุด”
WEBB CHAPPELL
เธอ ยังชื่นชมการสนับสนุนส่วนตัวของเขา เมื่อพ่อแม่ของเธอในอินเดียติดเชื้อโควิดในเดือนเมษายน เขา “ให้เวลาฉันอย่างเต็มที่เพื่อช่วยดูแลพวกเขา” เธอกล่าว
กรอดซินสกี้เองก็สามารถหลีกเลี่ยงโรคข้อเข่าเสื่อมได้ แม้ว่าเมื่ออายุ 74 ปี เขาอยู่ในกลุ่มเสี่ยงที่สำคัญสำหรับโรคนี้
บางที เขารำพึง อาจเป็นเพราะอาชีพนักดนตรีทำให้เขามีร่างกายที่แข็งแรง หลังจากเรียนเปียโนหลายปีที่ Third Street Music School Settlement ในนิวยอร์ก เขาก็กลายเป็นนักไวโอลินคนสำคัญของ MIT Symphony Orchestra ในระดับปริญญาตรี นอกจากนี้ เขายังเล่นในวงเครื่องสายอิสระหลังจากจบ ScD และได้พบกับเกล ภรรยาของเขาที่กำลังเล่นดนตรีแชมเบอร์
หลังจากก้าวเข้าสู่มหาวิทยาลัยอย่างเป็นทางการเมื่ออายุ 18 ปี เขาพูดพร้อมกับ ยิ้ม “ยังไงก็เถอะ ฉันไม่เคยหาทางไปได้เลย”
