Хрящи из стволовых клеток: новый рецепт
Гидрогель с пептидом позволяет усовершенствовать получение хрящей из стволовых клеток
NanoNewsNet по материалам Penn News: Penn Research Shows Way to Improve Stem Cells’ Cartilage Formation
Восстановление травмированного хряща – трудная для медицины задача. Применяемые сегодня хирургические методики обычно сводятся к наложению «заплатки» – участка хряща, взятого из неповрежденной части сустава, – на его травмированную часть. Такой подход предполагает повреждение здорового хряща, не говоря уже об абсолютно не решаемой им проблеме постоянного возрастного ухудшения состояния хрящевой ткани.
Биоинженеры активно ищут инновационные способы выращивания нового хряща из собственных стволовых клеток пациента, и, благодаря новому исследованию ученых Университета Пенсильвании (University of Pennsylvania), опубликованному в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (Bian et al., Hydrogels that mimic developmentally relevant matrix and N-cadherin interactions enhance MSC chondrogenesis), этот метод лечения стал на шаг ближе к клинической практике.
«Мы пытаемся разработать новые методы лечения для замены хрящевой ткани, начиная с очаговых дефектов – например, спортивных травм, – и надеемся, что позднее нам удастся перейти к замене суставных поверхностей при возрастном разрушении хряща. Сейчас мы пытаемся подобрать правильную среду для взрослых стволовых клеток, позволяющую получить наилучший хрящ», – говорит руководитель исследования адъюнкт-профессор Джейсон Бёрдик (Jason Burdick), PhD.
«По мере старения жизнеспособность клеток хряща снижается, и эффективность его восстановления за счет взрослых хондроцитов фактически довольно низка. Поэтому идеальным в этом случае было бы использование сохраняющих высокую жизнеспособность стволовых клеток», – добавляет соавтор Бёрдика адъюнкт-профессор Роберт Мок (Robert Mauck), PhD.
Доктор Бёрдик и его коллеги давно изучают мезенхимальные стволовые клетки – тип находящихся в костном мозге взрослых стволовых клеток, способных дифференцироваться в клетки костной, жировой и хрящевой ткани. Особое внимание ученые уделяют расшифровке сигналов микросреды, определяющих, в каком направлении пойдет дифференциация стволовых клеток. В одном из недавних исследований они изучили условия, опосредующие их преимущественную трансформацию в жировые или костные клетки. Стволовые клетки были инкапсулированы в гидрогели – полимерные сети, имитирующие некоторые из условий естественной микросреды, в которой происходит рост клеток.
Первым шагом в выращивании нового хряща является инициация хондрогенеза: ученые должны уметь «убедить» мезенхимальные стволовые клетки дифференцироваться именно в хондроциты, которые, в свою очередь, образуют губчатый матрикс из коллагена и сахаров – «амортизирующую подушку» суставов. Одна из проблем направления дифференциации в сторону хондроцитов связана с тем, что, несмотря на низкую плотность взрослых хондроцитов в тканях, активное формирование хрящей начинается с клеток, находящихся в непосредственной близости друг от друга.
«В типичных гидрогелях, используемых в инженерии хрящевой ткани, – продолжает доктор Бёрдик, – клетки располагаются обособленно и поэтому теряют этот исходный сигнал и соответствующее взаимодействие. Тут мы и подумали о кадгеринах (cadherins) – молекулах, используемых этими клетками для взаимодействия друг с другом, особенно на первом этапе их дифференциации в хондроциты».
Для моделирования такой активной среды ученые использовали пептидную последовательность, имитирующую свойства кадгеринов, связав ее с гидрогелями, используемыми для инкапсуляции мезенхимальных стволовых клеток.
«Хотя прямая связь между кадгеринами и хондрогенезом не совсем понятна, известно, что, если удается усилить эти взаимодействия на ранних стадиях образования ткани, можно получить больше хряща, а если заблокировать их, образование хряща подавляется. Такой гель обманывает клетку, заставляя ее думать, что друзья находятся рядом», – объясняет доктор Мок.
Помеченные флуоресцентным белком мезенхимальные стволовые клетки
в гидрогеле с гиалуроновой кислотой (фото: Megan Farrell)
Чтобы проверить эффективность своих имитирующих кадгерин пептидов, ученые инкапсулировали мезенхимальные стволовые клетки в некоторые другие виды гелей: обычной гидрогель без пептидов, гидрогель с нефункциональным вариантом пептида и гидрогель как с пептидом, так и антителом, блокирующим опосредуемые кадгерином взаимодействия.
Через неделю клетки в геле, содержавшем имитирующий кадгерин пептид, демонстрировали больше генетических маркеров хондрогенеза, чем клетки, развивавшиеся в любом из контрольных вариантов гелей.
Второй эксперимент заключался в выращивании инкапсулированных в гели клеток в течение четырех недель – достаточно долго для начала образования хрящевого матрикса. Это позволило исследователям провести функциональные тесты, подвергая гели, в частности, механическим нагрузкам. Гели, содержащие пептиды, проявляли свойства, более близкие к природному хрящу, чем контрольные варианты.
Окрашивание содержащих пептид гелей на коллаген II типа и хондроитинсульфат – молекулы, составляющие хрящевой матрикс, – также подтвердило, что пептид-содержащие гели производят больше этих маркеров образования матрикса.
«Взятые вместе, эти эксперименты полностью доказывают, что кадгериновый сигнал, получаемый клетками из синтетического гидрогеля, усиливает дифференциацию в направлении хондрогенеза», – заключает доктор Бёрдик.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
07.06.2013