Шелковые сухожилия
Травмы сухожилий хорошо известны своими длительными, трудными и часто неполными процессами заживления. По оценкам, 30% всех людей имели или будут иметь травму сухожилия, причем наиболее высокий риск приходится на женщин.
Сухожилия – это волокна соединительной ткани, которые прикрепляют мышцы к костям. Мягкая ткань (сухожилия), соединенная с твердой (кости), создает сложную систему, а после травмы эта специфическая структура нарушается, и соединительная ткань превращается из линейного образования в спирально закрученное. Также может случиться избыточное рубцевание, изменяющее механические свойства сухожилия и ослабляющее устойчивость к нагрузкам.
Для правильного заживления необходимо восстановление первоначальной структуры сухожилия из прямых волокон соединительной ткани. Но эта реконструкция может занять от нескольких недель до нескольких месяцев, и в результате сухожилие часто бывает несовершенным. Это приводит к неполному восстановлению двигательной функции, хронической боли и снижению качества жизни пациента.
Возможные методы лечения повреждений сухожилий включают трансплантацию собственных или донорских тканей, но это сопровождаются риском инфекции, отторжения трансплантата или некроза. Были предприняты попытки трансплантации искусственного материала, но механические проблемы, проблемы биосовместимости и биодеградации не позволили использовать этот метод.
Другой подход заключается в использовании мезенхимальных стволовых клеток, которые играют ключевую роль в регенерации тканей. В месте раны они могут дифференцироваться в различные типы клеток и продуцировать сигнальные молекулы, которые регулируют иммунный ответ, миграцию клеток и образование новых кровеносных сосудов; это обеспечивает регенерацию тканей.
Однако методы лечения с использованием внутривенной инфузии, прямой инъекции в рану или генетической модификации мезенхимальных стволовых клеток тоже связано с трудностями: при системном введении клетки не накапливаются в месте повреждения, прямая инъекция требует чрезмерно высокого числа клеток, а генетическая модификация неэффективна и производит клетки, которые трудно изолировать.
Еще один подход заключается в создании каркасов, засеянных мезенхимальных стволовых клеток с факторами роста, для генерации новой ткани. Исследовательская группа из Института биомедицинских инноваций Терасаки использовала этот подход для разработки метода, который значительно улучшил бы регенерацию сухожилий.
В качестве основы был выбран фиброин шелка – белок, вырабатываемый шелкопрядом Bombyx mori. Он применяется для производства тканей и пошива одежды, в оптических и электронных устройствах, а также в биомедицине – от шовных материалов до создания биоинженерных связок, костей и даже тканей роговицы. Благодаря своей превосходной прочности, долговечности, биосовместимости и биодеградации фиброин шелка идеально подходит для использования в каркасах.
Чтобы улучшить способность каркаса к регенерации тканей, группа соединила фиброин шелка с полимером (желатин-метакрилоил) – гелем на основе желатина, обладающим биосовместимостью, контролируемой деградацией, жесткостью и способностью усиливать закрепление и рост стволовых клеток. Синергетический эффект способности желатин-метакрилоила поддерживать регенерацию тканей и структурные преимущества фиброина шелка делают композитный материал подходящим для восстановления сухожилий.
Исследователи приготовили смесь с оптимальным соотношением фиброина шелка и желатин-метакрилоила (SG7) и изготовили из нее тонкие нановолоконные пластины. Они заметили, что фиброин шелка придает материалу повышенную пористость, что усиливает восстановление сухожилий. Пластины SG7 были засеяны мезенхимальными стволовыми клетками. Мезенхимальные стволовые клетки на пластинах SG7 показали высокую жизнеспособность и активную пролиферацию по сравнению с таковыми на пластинах из фиброина шелка без желатин-метакрилоила (SF). Генетический анализ показал, что соответствующая активность генов в новом материале была значительно выше, чем на SF-пластинах.
Тесты с окрашиванием показали, что мезенхимальные стволовые клетки в SG7 демонстрировали более высокую скорость прикрепления и имели продолговатую форму; клетки на SF были сферической формы.
Факторы роста, секретируемые мезенхимальными стволовыми клетками, оказались способны восстанавливать поврежденную сухожильную ткань, выращенную в пробирке. Эксперименты также проводились на живых крысах с поврежденными ахилловыми сухожилиями. В место травмы были имплантированы нанопластины SG7, и они способствовали более быстрому заживлению с образованием ровных, прямых, плотно упакованных сухожильных волокон и мышечных компонентов.
Статья Y.Xue et al. Co-Electrospun Silk Fibroin and Gelatin Methacryloyl Sheet Seeded with Mesenchymal Stem Cells for Tendon Regeneration опубликована в журнале Small.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Terasaki Institute: Repairing Tendons with Silk Proteins.