Новый метод формирования хряща из стволовых клеток
Травмы хряща тяжело поддаются лечению. Современные методы, в основном, основаны на пересадке части здорового участка хряща на повреждённую область. Такая процедура травмирует здоровые хрящи, а так же хрящевая ткань всё равно постепенно разрушается с возрастом.
Инновационный подход выращивания новых хрящей из собственных стволовых клеток пациента разработали исследователи университета Пенсильвании, США.
Исследование было проведено доцентом кафедры биоинженерии Школы инженерии и прикладных наук (Department of Bioengineering in the School of Engineering and Applied Science) Джейсоном Бёрдиком (Jason Burdick) и доцентом Отдела ортопедической хирургии Школы Медицины Перельмана (Department of Orthopaedic Surgery in Penn’s Perelman School of Medicine) Робертом Мауком (Robert Mauck). Результаты исследования опубликованы в журнале Национальной академии наук США «Proceedings of the National Academy of Sciences».
«Мы начали наши исследования с фокусных повреждений,- например, спортивных травм», — сообщил Джейсон Бёрдик. «Дальнейшие наши разработки направлены на замену поверхности хрящевой ткани, разрушаемой с возрастом. В данный момент, мы пытаемся подобрать наиболее подходящие условия для выращивания хрящей из взрослых мезенхимальных стволовых клеток».
«В процессе старения жизнеспособность клеток хрящевой ткани снижается, поэтому восстановление хряща с помощью взрослых хондроцитов малоэффективно», — говорит Роберт Маук. «Для этого идеально подходят мезенхимальные стволовые клетки, характеризующиеся мощным пролиферативным потенциалом».
Бёрдик и его коллеги долгое время исследовали мезенхимальные стволовые клетки, способные «превращаться» в клетки костной, жировой и хрящевой тканей. Его команду особенно интересовали условия, позволяющие стволовым клеткам дифференцироваться именно в хондроциты.
Одной из проблем, с которой столкнулись ученые, является то, что, несмотря на низкую плотность взрослых хондроцитов в тканях, фактическое формирование хрящей начинается при непосредственном взаимодействии клеток, расположенных на близком расстоянии друг от друга.
«В гидрогелях, используемых в тканевой инженерии для выращивания хрящевой ткани, клетки расположены на расстоянии друг от друга, что приводит к потерям сигналов взаимодействия. Именно тогда мы начали думать о кадгеринах – молекулах, с помощью которых клетки взаимодействуют друг с другом, в частности, на первых этапах дифференцировки в хондроциты», — говорит Джейсон Бёрдик.
При моделировании условий для роста клеток, исследователи добавляли в гидрогель пептидные последовательности, имитирующие кадгериновые связи.
«В настоящее время прямая связь между кадгеринами и хондрогенезом не совсем понятна»,- говорит Роберт Маук: «Известно только, что, если симулировать клеточные взаимодействия на ранних стадиях тканеобразования, можно получить большее количество хрящевой ткани, а если блокировать их — формирование хряща замедлится. Такой гель заставляет клетку считать, что она окружена другими дружественными клетками».
Для проверки эффективности геля с пептидами, имитирующими кадгерин, исследователи помещали мезенхимальные стволовые клетки в разные виды гелей: обычный гидрогель; гидрогель с разрушенными, нефункциональными вариантами пептида; в гидрогель с пептидом, кадгериновая активность которого была блокирована антителами.
У мезенхимальных стволовых клеток, которые неделю культивировались в геле, содержащем кадгерин-подобные пептиды, было выявлено наибольшее количество генетических маркеров хондрогенеза среди всех культивируемых образцов.
В другом эксперименте клетки росли в испытуемом геле в течение четырёх недель. Это достаточный срок для начала формирования хрящевого матрикса, который ученые подвергли ряду испытаний. Например, механическим нагрузкам. В результате, ученые пришли к выводам, что хрящевая ткань, полученная в геле, содержащем пептиды, наиболее близка по характеристикам к «натуральной», чем выращенная в других контрольных гидрогелях.
Исследователи также проводили тестирование, окрашивая срезы геля, для выявления сульфата хондроитина типа-II и коллагена, которые являются частью хрящевого матрикса. И снова в гелях, содержащих пептид, было обнаружено наибольшее количество маркеров формирования ткани, по сравнению с остальными гидрогелями.
«В ближайшее время нам важно увидеть, как ведут себя полученные клетки при долгосрочном пребывании в естественных условиях (in vivo)», — говорит Роберт Маук.
