Восстановление скелетных тканей в организме человека

Исследователи из Университета Дьюка (Duke University, США) достигли успехов в создании замещаемого хряща. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Восстановление поврежденных тканей с помощью стволовых клеток обычно требует применения большого количества факторов роста – такой метод оказывается очень дорогостоящим и проблемным после имплантации полученного материала в организм. В новом исследовании ученые из Университета Дьюка нашли возможность обойти этот недостаток, генетически модифицировав стволовые клетки в направлении самостоятельной выработки ими факторов роста.

Ученые внедрили вирусные векторы, используемые для доставки в генной терапии, в стволовые клетки, находящиеся в искусственном материале, служащем основой для роста ткани.

Фаршид Жилак (Farshid Guilak), руководитель исследований в области ортопедии Медицинского Центра при Университете Дьюка (Duke University Medical Center), в течение многих лет занимался разработкой биоразлагаемых синтетических остовов, воспроизводящих механические свойства хряща. Основной проблемой, с которой он и все биомедики столкнулись, являлось получение стволовых клеток для создания хряща внутри и вокруг остова, особенно после имплантации в живую ткань.

Ученые использовали традиционный подход, заключающийся во введении факторов роста, направляющих дифференциацию стволовых клеток для формирования хряща. После того, как процесс «запущен», растущий хрящ может быть имплантирован в необходимом месте.

«Однако основное ограничение в искусственном замещении тканей связано с трудностями в доставке ростовых факторов к стволовым клеткам после того, как они имплантированы в организм, - поясняет Жилак, являющийся также профессором Отделения Биомедицинской Инженерии при Университете Дьюка (Duke's Department of Biomedical Engineering), - Количество ростовых факторов, которые можно ввести в остов, ограничено, и после этого процесс запускается. Нам необходим был способ долговременной доставки факторов роста, и на помощь пришла генная терапия».

За идеями для решения этой проблемы Жилак обратился к своему коллеге Чарльзу Гершбаху (Charles Gersbach), доценту биомедицинской инженерии, эксперту в области генной терапии. Гершбах предложил ввести новые гены в стволовые клетки для того, чтобы они могли самостоятельно вырабатывать факторы роста.

Однако традиционные способы генной терапии очень сложно перенести в стратегию лечения, которую нужно реализовать в виде коммерческого продукта.

Традиционный способ генной терапии, как правило, требует выращивания стволовых клеток, их модификацию с помощью вирусных векторов, переносящих новые гены, культивирования получившихся клеток до тех пор, пока они не образуют критическую массу, введение их в синтетический суставный остов и, наконец, имплантацию в организм.

«С этим процессом связано несколько трудностей: одна из них заключается в том, что требуется множество дополнительных этапов, - рассказывает Гершбах, - Поэтому мы обратились к ранее разработанной мною технологии прикрепления вирусов, доставляющих новые гены, на поверхность материала».

В новой работе была использована методика Гершбаха, названная биоматериал-опосредованной доставкой генов, для активации выработки факторов роста стволовыми клетками, помещенными в остов синтетического хряща, разработанного Жилаком. Результаты показывают, как работает методика и как получающийся в итоге композитный материал как минимум так же хорош с точки зрения биохимических и биомеханических свойств, как если бы факторы роста были введены в лабораторных условиях.

«Мы хотели, чтобы новый хрящ формировался внутри и снаружи синтетического остова со скоростью, которая могла бы соответствовать или превышать скорость его деградации, - говорит Джонатан Брангер (Jonathan Brunger), студент старшего курса, работавший в лаборатории Жилака и Гершбаха над разработкой и тестированием новой методики, - И пока стволовые клетки создают новую ткань (в организме), остов может противостоять нагрузке суставов. В идеале все должно закончиться замещением искусственного материала жизнеспособной хрящевой тканью».

Несмотря на то, что методика была сфокусирована на восстановлении хрящевой ткани, Жилак и Гершбах полагают, что ее можно применять для восстановления множества других тканей, в том числе скелетных, таких как сухожилия, связки и кости. И поскольку платформа уже готова для использования с любыми стволовыми клетками, она является важным шагом на пути к коммерциализации.

По материалам Duke University

Оригинальная статья:
Jonathan M. Brungera, Nguyen P. T. Huynha, Caitlin M. Guenthera, Pablo Perez-Pinerab, Franklin T. Moutos, Johannah Sanchez-Adams, Charles A. Gersbacha, and Farshid Guilaka. Scaffold-mediated lentiviral transduction for functional tissue engineering of cartilage. PNAS, February 2014 DOI: 10.1073/pnas.1321744111