Американські дослідники створили біоінженерний суглобовий хрящ на основі свинячих клітин, який виробляє протизапальний препарат у відповідь на механічне навантаження. У перспективі ця технологія може допомогти в лікуванні остеоартриту. Звіт про розробку опубліковано в журналі.
Остеоартрит - найчастіше ураження суглобів, їм страждає кожен 30-й житель Землі, причому захворюваність різко зростає в літньому віці. Воно виникає через поступове зношування суглобових хрящів, яке супроводжується запальними реакціями і призводить до руйнування хряща та ділянки кістки, що підлягає. Це пов'язано з тим, що після остаточного формування скелета у віці 20-30 років клітини хряща (хондроцити) практично перестають ділитися і відновлювати хрящову тканину.
Проте ці клітини зберігають критичну в період зростання організму здатність реагувати на навантаження, за що відповідає ряд механорецепторів - TRPV4, PIEZO1, PIEZO2, інтегрини і первинні реснички. Подібну здатність використовують для створення механотерапевтичних біоінженерних конструкцій. Досі такі технології мали на увазі екзогенне введення пептидних препаратів, ультразвукову стимуляцію або імплантацію синтетичних полімерів (мікрокапсул, гідрогелів), які не забезпечують довгострокового підтримки концентрації ліків та її контролю шляхом біологічного зворотного зв'язку.
Щоб усунути ці недоліки, співробітники Університетів Вашингтона в Сент-Луїсі і Дьюка в Даремі під керівництвом Фаршида Гуйлака (Farshid Guilak) вирішили створити штучну хрящову тканину, яка буде «самовиліковуватися» у відповідь на механічне навантаження.
Під час попередніх експериментів дослідники ізолювали свинячі хондроцити й інкубували їх у штучному каркасі з агарозного гідрогелю, отримавши штучний хрящ. Такий тканинний конструкт реагував на механічне навантаження 108-відсотковим збільшенням активації кальційзалежних внутрішньоклітинних сигнальних шляхів. Введення в живильне середовище низькомолекулярного інгібітора ваніллоїдного катіонного каналу транзиторного рецепторного потенціалу 4 типу (рецептора TRPV4) GSK205 знижувало подібну реакцію на 47 відсотків. Це показало, що клітинна відповідь на механічне навантаження в першу чергу залежить саме від цього типу рецепторів.
Вивчаючи реакцію одиночних хондроцитів на осмотичний стрес (дією різних поживних середовищ) і механічне розтягнення мембрани (шляхом втягування в мікропіпетку), дослідники переконалися, що опосередкована TRPV4 реакція спостерігається лише при першому впливі. Тобто для отримання відповіді необхідно докладати механічне зусилля до цілого зразка хрящової тканини з осмотично активним матриксом, але не до окремих клітин.
Потім внутрішньоклітинну молекулярну реакцію на активацію TRPV4 проаналізували за допомогою програми Ingenuity Pathway Analysis і переконалися, що вона включає ряд анаболічних і запальних сигнальних шляхів. З них найбільш перспективними для створення терапевтичних трансгенів виявилися контури активації ядерного фактора NF-^ B і експресії простагландін-ендопероксидсинтази 2 (PTGS2), що було підтверджено кількісною полімеразною ланцюговою реакцією.
Використовуючи регулюючі NF-^ B і PTGS2 генетичні елементи, дослідники створили трансгени, що експресують у відповідь на активацію TRPV4 протизапальний препарат анакінру - білковий антагоніст рецепторів до інтерлейкіну-1. Цей лікарський засіб, що вводиться внутрішньовенно, добре зарекомендував себе в терапії ревматоїдного артриту і виявився ефективним в преклінічних моделях остеоартриту. Проте його клінічні випробування при цьому захворюванні не принесли бажаних результатів, що може свідчити про необхідність тривалого контрольованого введення препарату безпосередньо в хрящову тканину.
Отримані терапевтичні трансгени за допомогою лентивірусного вектора ввели в свинячі хондроцити і використовували ці клітини для створення біоінженерного хряща. В експерименті такий конструкт з активованими механорецепторами TRPV4 ефективно продукував анакінру і не руйнувався при обробці інтерлейкином-1 протягом 72 годин. Натуральний хрящ при такому ж впливі втрачав 45,6 відсотка сульфатованих глікозаміногліканів (основного компонента матриксу, що забезпечує цілісність хряща і його стійкість до «зношування»), і, відповідно, частково руйнувався.
"Ми можемо створювати клітини, які автоматично виробляють анальгетики, протизапальні препарати і фактори зростання для регенерації хряща. На нашу думку, така стратегія може стати основою для програмування клітин, що надають терапевтичний вплив при різноманітних медичних проблемах ", - підсумував Гуйлак.
Безліч наукових колективів світу працює над створенням і вдосконаленням біоінженерних органів і тканин. Для цього використовують різні підходи - від 3D-друку до використання машини для виробництва солодкої вати. Окремої згадки заслуговує вирощування складно влаштованої кишкової тканини, що має нервову систему і здатна до самостійної перистальтики. Детальніше про технології створення штучних органів можна почитати в нашому матеріалі «Лава запасних».