Хондроциты-биореакторы

Биоинженерный суставной хрящ синтезировал для себя лекарство в ответ на нагрузку

Олег Лищук, N+1

Американские исследователи создали биоинженерный суставной хрящ на основе свиных клеток, который вырабатывает противовоспалительный препарат в ответ на механическую нагрузку. В перспективе эта технология может помочь в лечении остеоартрита. Отчет о разработке опубликован в журнале Science Advances (Nims et al., A synthetic mechanogenetic gene circuit for autonomous drug delivery in engineered tissues).

Остеоартрит – самое частое поражение суставов, им страдает каждый 30-й житель Земли, причем заболеваемость резко возрастает в пожилом возрасте. Оно возникает из-за постепенного изнашивания суставных хрящей, которое сопровождается воспалительными реакциями и приводит к разрушению хряща и подлежащего участка кости. Это связано с тем, что после окончательного формирования скелета в возрасте 20–30 лет клетки хряща (хондроциты) практически перестают делиться и восстанавливать хрящевую ткань.

Тем не менее эти клетки сохраняют критичную в период роста организма способность реагировать на нагрузку, за что отвечает ряд механорецепторов – TRPV4, PIEZO1, PIEZO2, интегрины и первичные реснички. Подобную способность используют для создания механотерапевтических биоинженерных конструкций. До сих пор такие технологии подразумевали экзогенное введение пептидных препаратов, ультразвуковую стимуляцию или имплантацию синтетических полимеров (микрокапсул, гидрогелей), которые не обеспечивают долгосрочного поддержания концентрации лекарства и ее контроля путем биологической обратной связи.

Чтобы устранить эти недостатки, сотрудники Университетов Вашингтона в Сент-Луисе и Дьюка в Дареме под руководством Фаршида Гуйлака (Farshid Guilak) решили создать искусственную хрящевую ткань, которая будет «самоизлечиваться» в ответ на механическую нагрузку.

В ходе предварительных экспериментов исследователи изолировали свиные хондроциты и инкубировали их в искусственном каркасе из агарозного гидрогеля, получив искусственный хрящ. Такой тканевой конструкт реагировал на механическую нагрузку 108-процентным увеличением активации кальцийзависимых внутриклеточных сигнальных путей. Введение в питательную среду низкомолекулярного ингибитора ваниллоидного катионного канала транзиторного рецепторного потенциала 4 типа (рецептора TRPV4) GSK205 снижало подобную реакцию на 47 процентов. Это показало, что клеточный ответ на механическую нагрузку в первую очередь зависит именно от этого типа рецепторов.

Изучая реакцию одиночных хондроцитов на осмотический стресс (действием разных питательных сред) и механическое растяжение мембраны (путем втягивания в микропипетку), исследователи убедились, что опосредованная TRPV4 реакция наблюдается лишь при первом воздействии. То есть для получения ответа необходимо прилагать механическое усилие к целому образцу хрящевой ткани с осмотически активным матриксом, но не к отдельным клеткам.

Затем внутриклеточную молекулярную реакцию на активацию TRPV4 проанализировали с помощью приложения Ingenuity Pathway Analysis и убедились, что она включает ряд анаболических и воспалительных сигнальных путей. Из них наиболее перспективными для создания терапевтических трансгенов оказались контуры активации ядерного фактора NF-κB и экспрессии простагландин-эндопероксидсинтазы 2 (PTGS2), что было подтверждено количественной полимеразной цепной реакцией.

Используя регулирующие NF-κB и PTGS2 генетические элементы, исследователи создали трансгены, экспрессирующие в ответ на активацию TRPV4 противовоспалительный препарат анакинру – белковый антагонист рецепторов к интерлейкину-1. Это лекарственное средство, вводимое внутривенно, хорошо зарекомендовало себя в терапии ревматоидного артрита и оказалось эффективным в преклинических моделях остеоартрита. Тем не менее его клинические испытания при этом заболевании не принесли желаемых результатов, что может свидетельствовать о необходимости длительного контролируемого введения препарата непосредственно в хрящевую ткань.

Полученные терапевтические трансгены с помощью лентивирусного вектора ввели в свиные хондроциты и использовали эти клетки для создания биоинженерного хряща. В эксперименте такой конструкт с активированными механорецепторами TRPV4 эффективно продуцировал анакинру и не разрушался при обработке интерлейкином-1 в течение 72 часов. Натуральный хрящ при таком же воздействии терял 45,6 процента сульфатированных гликозаминогликанов (основного компонента матрикса, обеспечивающего целостность хряща и его устойчивость к «изнашиванию»), и, соответственно, частично разрушался.

Принцип работы биоинженерного хряща. Рисунок из статьи Nims et al.

«Мы можем создавать клетки, которые автоматически производят анальгетики, противовоспалительные препараты и факторы роста для регенерации хряща. По нашему мнению, такая стратегия может стать основой для программирования клеток, оказывающих терапевтическое воздействие при разнообразных медицинских проблемах», – заключил Гуйлак.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru