Стволовые клетки и ультразвук восстанавливают несрастающиеся переломы

Группа исследователей из Медицинского центра Седарс-Синай (Cedars-Sinai Medical Center), США, успешно восстановила тяжёлые переломы конечностей у лабораторных животных с помощью инновационной методики, основанной на сочетании ультразвука, стволовых клеток и генной терапии. Если испытания покажут безопасность данного метода для людей, он, со временем, сможет заменить трансплантацию кости при несрастающихся и особо сложных переломах. Результаты работы опубликованы в журнале Science Translational Medicine.

«Мы только начинаем революцию в ортопедии», — говорит профессор хирургии Дэн Газит (Dan Gazit), один из членов совета директоров программы терапии скелетной регенерации и стволовых клеток в Отделе хирургии Института регенеративной медицины Седарс-Синай. «Мы сочетаем инженерный и биологический подходы в развитии регенеративной инженерии, которая, по нашему мнению, является будущим медицины».

Ежегодно по всему миру требуется более 2 миллионов костных трансплантатов для лечения тяжёлых травм после удаления опухолей, ДТП, либо в результате военных действий.

Последствием таких повреждений часто бывает отсутствие достаточно обширного участка костной ткани в местах перелома, который кость не может восстановить самостоятельно. Трансплантация позволяет заполнить такие участки с помощью кусочков других костей самого пациента или донорского материала.

«К сожалению, костные трансплантаты имеют ряд недостатков», — говорит Газит. «Существуют огромные неудовлетворённые потребности для восстановления скелета».

Одна из проблем заключается в том, что достаточное количество здорового материала костной ткани не всегда доступно для трансплантации. Процедура забора кости, как правило, из таза пациента, может привести к продолжительным болям, как следствие, ухудшению самочувствия и увеличению времени восстановления больного.
Трансплантация же от донора может вызвать отторжение, а также зачастую пересаженные чужеродные ткани не всегда растут должным образом.

Новая методика, разработанная командой из Седарс-Синай, может обеспечить столь необходимую альтернативу костным трансплантатам.

Ранее группа профессора Газита уже пыталась лечить сложные переломы без использования трансплантатов. Учёные заполняли разрушенные участки кости коллагеном, который привлекал мезенхимальные стволовые клетки (МСК).

Для дифференцировки МСК в остеоциты — клетки костной ткани, исследователи воздействовали на них костным морфогенетическим белком (bone morphogenetic proteins, BMP) – фактором роста, отвечающим за формирование кости.

Однако для достижения необходимого результата стволовые клетки должны подвергаться действию BMP не менее недели, а при введении белка в место перелома он исчезает в течение всего нескольких часов.

На следующем этапе эксперимента команда Газита с помощью вирусов встроила копии генов, ответственных за синтез BMP, непосредственно в ДНК мезенхимальных стволовых клеток. Однако это не принесло желаемой эффективности.

В своей новой работе учёные использовали способ доставки генов, не требующий использования вирусов.

Для проведения нового эксперимента исследователи сконструировали матрицу из коллагена – белка, который организм использует для создания костей, и имплантировали её в повреждённый участок кости конечностей лабораторных животных (свиней). Матрица привлекала к месту перелома собственные стволовые клетки организма в течение двух недель.

Для запуска процесса восстановления костной ткани учёные использовали фрагменты ДНК, заключённые в пузырьки с тонкой липидной оболочкой. Пузырьки в специальном растворе вводились в место перелома. Далее, при помощи направленного ультразвука, исследователи взрывали пузырьки, создавая крошечные наноотверстия в МСК, что позволило генам проникать в стволовые клетки.

Спустя восемь недель после процедуры отсутствовавшие участки кости у всех животных восстановились. Тесты показали, что образовавшаяся костная ткань была такой же прочной, как и при использовании собственных костных трансплантатов.

«Данное исследование впервые продемонстрировало, что доставка генов ультразвуком в стволовые клетки животного может эффективно использоваться для лечения незаживающих переломов», — сказал ведущий автор исследования доктор Гади Пеллед (Gadi Pelled).