Хондроциты из иПСК восстановят суставные хрящи
Боль в коленных и других суставах значительно ухудшает качество жизни не только пожилых, но и, в некоторых случаях, молодых людей. Очень часто причиной возникновения боли в суставах является разрушение неспособного к самостоятельной регенерации гиалинового хряща. Гиалиновые хрящи состоят из хондроцитов и секретируемых ими белков внеклеточного матрикса – коллагенов II и XI типов. В состав этих хрящей не входит коллаген I типа, являющийся основным компонентом волокнистого хряща или рубцовой ткани. Поэтому секретом успешного восстановления разрушенного гиалинового хряща является введение в него хондроцитов, секретирующих только коллагены II и XI типов.
Одной из наиболее распространенных стратегий лечения повреждений гиалиновых хрящей является аутологичная трансплантация хондроцитов. Эта методика подразумевает выделение фрагмента гиалинового хряща с помощью биопсии и его трансплантацию в зону повреждения. Так как трансплантируемый фрагмент обычно меньше зоны повреждения, хондроциты должны размножится, что невозможно без ферментативного расщепления белков внеклеточного матрикса. К несчастью в процессе деления хондроциты фактически утрачивают свой хондрогенный потенциал и начинают синтезировать коллаген I типа, что неизбежно приводит к формированию рубцовой ткани.
В поисках решения этой проблемы японские исследователи из университета Киото, работающие под руководством профессора Нориуки Цумаки (Noriyuki Tsumaki), разработали протокол, позволяющий использовать в качестве исходного материала не хондроциты, а индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК).
На первом этапе человеческие иПСК размножали в лабораторных условиях до получения достаточно большой популяции. После этого их помещали в специально разработанную среду, содержащую костный морфогенетический белок-2 (BMP2), трансформирующий фактор роста-бета-1 (TGF-beta1) и фактор роста и дифференцировки-5 (GDF5). Эта комбинация факторов роста обеспечивала направленную хондрогенную дифференцировку иПСК. После шести недель культивирования в суспензионной культуре клетки прекращали делиться и формировали гомогенные хрящевые частицы диаметром 1-2 мм (рис. 1).
Здесь и ниже снимки – Professor Noriyuki Tsumaki / Stem Cell Research
Синтезируемые ими белки представляли собой исключительно белки внеклеточного матрикса гиалинового хряща. Эти частицы, каждая из которых состояла примерно из 70 000 хондроцитов, были выделены из культуры и трансплантированы животным моделям (рис. 2).
В качестве животных моделей исследователи использовали иммунодефицитных мышей, иммунодефицитных крыс и иммунодефицитных мини-свиней. При подкожной трансплантации иммунодефицитным мышам хрящевые частицы формировали гиалиновый хрящ, экспрессирующий коллаген II типа и не экспрессирующий коллаген I типа. В то же время трансплантация в дефекты суставов других иммунодефицичных моделей продемонстрировала способность формирующейся новой хрящевой ткани выживать в условиях организма реципиента и интегрироваться в его собственную хрящевую ткань (рис. 3). При этом у животных не было выявлено формирования опухолей или фрагментов эктопической ткани.
Исследователи отмечают, что непосредственное получение хондроцитов из иПСК отменяет необходимость расщепления белков внеклеточного матрикса, позволяя избежать проблемы образования фиброзной рубцовой ткани и обеспечивая формирование гиалинового хряща.
Помимо этого новый подход позволяет отказаться от использования искусственных каркасов, применявшихся в других работах с хондроцитами, получаемыми из эмбриональных и индуцированных стволовых клеток. Такие клетки, как правило, трансплантировались совместной с каркасом, поддерживающим их до того, как они начинали самостоятельно продуцировать белки внеклеточного матрикса. Однако исследователи считают, что искусственные материалы каркаса могут препятствовать оптимальной интеграции трансплантированного материала в ткань реципиента.
По словам авторов, для восстановления участка хряща размером 1 см2 требуется около миллиона хондроцитов. Размеры повреждений хрящей в суставах человека обычно составляют 2-10 см2, что требует трансплантации 30-150 хрящевых частиц, получить которые с помощью разработанной методики вполне реально. В целом разработчики очень довольны результатами экспериментов, однако подчеркивают их предварительный характер и необходимость проведения исследований на более крупных животных моделях.
Статья Akihiro Yamashita et al. Generation of scaffoldless hyaline cartilaginous tissue from human iPS cells опубликована в журнале Stem Cell Reports.
Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Center for IPS cell research and application,
Kyoto University: Scaffold-free iPS cell-based hyaline cartilage for joint repair.
02.03.2015