Хондроциты, полученные из стволовых клеток, могут быть ключом к регенерации поврежденного хряща.
Ключевые выводы
- На поздних стадиях остеоартрита суставной хрящ настолько деградирует, что кость притирается к кости, и сустав необходимо заменить.
- Наиболее распространенный метод регенерации хряща приводит к структурно неполноценному хрящу, который сохраняется только в течение нескольких лет.
- Показано, что новый биоимплантат на основе стволовых клеток восстанавливает хрящ на модели крупного животного.
Что общего у мезозойского динозавра, обнаруженного в Канзасе, с Иоанном Крестителем и сотнями миллионов людей во всем мире? Остеоартрит. Не путать с его родственными заболеваниями, ревматоидным артритом (воспаление, вызванное аутоиммунной реакцией в суставах) и остеопорозом (постепенное ослабление костей), остеоартрит (ОА) представляет собой постепенное истончение суставного хряща - гладкой, смазывающей соединительной ткани. который покрывает концы костей в суставе. Суставной хрящ обеспечивает безболезненное движение в суставах, по крайней мере, когда он здоров.
Когда хрящ повреждается и истончается, связка притирается к кости. У некоторых пациентов вы можете услышать треск, когда кости трутся друг о друга. Со временем трение изнашивает кость до тех пор, пока не обнажаются нервные окончания, а повседневные движения - ходьба, сидение, даже письмо - приводят к мучительной боли.
На поздних стадиях ОА, после того как все другие варианты обезболивания оказались безуспешными, последним средством является замена сустава. Это имеет три основные проблемы: во-первых, замена сустава не уменьшает значительно боль у 10% пациентов. Во-вторых, 10% суставов выходят из строя в течение 15 лет и нуждаются в замене. И в-третьих, около 1% пациентов заболевают инфекцией из-за операции. Хотя эти проценты могут показаться относительно небольшими, только в США ежегодно проводится более 1 миллиона операций по замене суставов. Это означает, что сотни тысяч людей либо имеют осложнения, связанные с заменой сустава, либо не испытывают облегчения боли.
Медицинское сообщество более века работало над разработкой стратегий восстановления поврежденного хряща до того, как потребуется хирургическое вмешательство. Однако у этих стратегий есть существенные недостатки, в первую очередь краткосрочное восстановление и длительный период восстановления. Согласно недавнему исследованию в npj Regenerative Medicine, исследователи разработали стратегию без этих ловушек - биоимплантат на основе стволовых клеток.
Мы можем восстановить хрящи, просверливая отверстия в костях, но должны ли мы это делать?
Традиционным объяснением повреждения суставного хряща, связанного с ОА, была «механическая травма» - неизбежный «износ» в результате старения и чрезмерного использования. Однако за последние несколько десятилетий наше понимание изменилось; теперь мы знаем, что ОА имеет многофакторное происхождение. Механическая травма играет роль, но не меньшее значение имеют генетика, питание, диабет, иммунитет, выравнивание конечностей и даже форма суставов. Независимо от лежащего в основе механизма, один аспект остается неизменным: ОА подразумевает повреждение суставного хряща.
Тело плохо восстанавливает суставной хрящ. До 1950-х годов не существовало установленной медицинской техники, которая могла бы оказать большую помощь. Пациенты либо терпели боль, либо подвергались рискованной операции по замене сустава (с сомнительными результатами). Однако все изменилось в 1959 году, когда в Трудах Конгресса Британской ортопедической ассоциации появилась статья из семи предложений. В удивительно лаконичной статье д-р Кеннет Х. Приди, британский клиницист, лечивший пациентов с ОА, отметил, что «если [концы костей] просверлить и отверстия не будут слишком далеко друг от друга, гладкий [хрящ] распространится по всей поверхности кости». поверхность.”
Вскоре после публикации этой революционной процедуры Приди умер, оставив ученых для размышлений о том, откуда он придумал эту идею и кто позволил ему выполнить эту операцию, а также более практических вопросов, таких как «как большое сверло? и «насколько далеко друг от друга слишком далеко друг от друга?»
Шесть десятилетий спустя ученые все еще работают над ответами на эти вопросы. Однако исследователи в 1980-х годах раскрыли основной механизм, лежащий в основе техники Приди: сверля концы кости, клетки костного мозга могли получить доступ к поврежденному суставу и создать новый хрящ. В настоящее время этот метод, называемый микрофрактурированием, является наиболее распространенным методом восстановления суставного хряща. Это быстрая процедура (обычно длится от 30 до 90 минут), минимально инвазивная, а время восстановления относительно короткое (от четырех до семи месяцев).
Но есть и обратная сторона: этот новый хрящ биомеханически уступает оригинальному суставному хрящу. В результате всего через несколько лет он может изнашиваться, и процедуру нужно повторять, что увеличивает вероятность осложнения (например, инфекции). Денис Евсеенко, профессор ортопедической хирургии, исследования стволовых клеток и регенеративной медицины в Медицинской школе им. Кека Университета Южной Калифорнии, хотел, чтобы его биоимплантат создавал прочный суставной хрящ, который мог бы прослужить десятилетиями. Для этого ему нужно было найти способ использовать силу одинокой клетки, которая может создавать суставной хрящ.
Только одна клетка знает рецепт суставного хряща
Хрящ - одна из простейших соединительных тканей организма. Или, по крайней мере, он прост с точки зрения его ингредиентов: вода и несколько различных белков (некоторые из которых, вероятно, есть у вас в кладовой). Но есть только один повар, который может правильно приготовить суставной хрящ: хондроциты.
Хондроциты живут в одиночестве. Каждая клетка, встроенная в хрящ, регулирует свое собственное микроокружение, где только она отвечает за поддержание хряща в этой области. Мы все еще изучаем эти клетки, но знаем, что когда они больше не могут выполнять свою роль, им редко находят замену. В то время как одни ученые пытались понять, как можно использовать клетки костного мозга для регенерации хрящей, другие ученые искали, как использовать хондроциты для той же цели.
В 1980-х годах появился новый метод: хирург удаляет небольшой сегмент кости у пациента, извлекает несколько хондроцитов и воспроизводит их в чашке Петри. После образования достаточного количества хондроцитов хирург имплантирует их обратно пациенту. Хрящ, полученный в результате этой процедуры, такой же прочный, как и исходный. Однако этот метод не получил большого распространения, потому что он требует нескольких операций, а восстановление хряща имплантированными хондроцитами может занять до двух лет.
Одной из причин длительного времени восстановления является использование «старых» хондроцитов. Когда человек становится старше, хондроциты замедляют производство хрящей. Когда старый хондроцит реплицируется, он создает другой хондроцит, который действует как старый хондроцит (при этом производство хряща происходит медленно). Исследователи давно подозревали, что хондроциты, созданные из стволовых клеток, будут действовать как молодые хондроциты (с быстрым образованием хряща), но до 2010 года никто не знал, как создавать хондроциты, полученные из стволовых клеток.
Если организм хочет, чтобы стволовые клетки создавали хондроциты, он посылает стволовым клеткам точно рассчитанные по времени сигналы. Дайте неправильный сигнал в неподходящее время, и у вас может быть совершенно другой тип клетки. Определение правильных сигналов и правильных временных параметров - сложная задача. Но в 2010 году группа исследователей из Манчестерского университета сделала именно это: они создали хондроциты из стволовых клеток.
Вооружившись этими новыми знаниями, Евсеенко и его группа исследователей приступили к разработке терапевтического биоимплантата, который сочетает в себе лучшие из двух существующих стратегий регенерации хряща: минимально инвазивная быстрая процедура с коротким периодом восстановления который производит прочный суставной хрящ. Непростая задача, но оснащенная хондроцитами, полученными из стволовых клеток, они добились успеха в 2018 году.
Их биоимплантат состоял из хрящеподобного матрикса, залитого хондроцитами, полученными из стволовых клеток. Через четыре недели после нанесения на коленный сустав мыши хондроциты заменили свою хрящевую среду прочным суставным хрящом. Эти результаты были многообещающими, но суставы мелких животных структурно отличаются от суставов крупных животных, включая человека. В частности, у мелких животных очень тонкий суставной хрящ. Поэтому, прежде чем перейти к клиническим испытаниям на людях, исследователям нужно было перейти к чему-то большему, чем мышь: юкатанской мини-свинье.
Толстый суставной хрящ юкатанских мини-свиней делает их отличной моделью для изучения методов лечения остеоартрита.
«Мини-свинья» может показаться не лучшим примером большого животного, поскольку ее высота составляет всего около 16 дюймов, а длина - 36 дюймов. Тем не менее, они весят около 160 фунтов. Чтобы смягчить весь этот вес на их маленькие суставы, их суставной хрящ очень толстый, как у человека.
Чтобы имитировать повреждение суставного хряща, связанное с ОА, исследователи вырезали сегменты суставного хряща в коленном суставе. Они вставили свой биоимплант в эту область. Свиньи выздоравливали в течение шести месяцев, и когда исследователи снова посмотрели на суставы, сразу стало ясно, что суставной хрящ регенерировал у свиней, получавших имплантат. Самое главное, хрящ был толстым и амортизирующим, намного превосходящим хрящ, полученный с помощью техники микропереломов.
Работа теперь будет продвигаться на людях при поддержке гранта в размере 6 миллионов долларов от Калифорнийского института регенеративной медицины.