Исследователи из Медицинской школы Стэнфордского университета обнаружили способ регенерировать в тканях мышей и человека хрящевую подушку, обнаруженную в суставах.
Потеря этого скользкого и амортизирующего тканевого слоя, называемого суставным хрящом, является причиной многих случаев боли в суставах и артрита, от которых страдают более 55 миллионов американцев. Почти каждый четвертый взрослый американец страдает артритом, и гораздо больше людей страдают от боли в суставах и воспалений в целом.
Исследователи из Стэнфорда выяснили, как отрастить суставной хрящ, сначала нанеся легкое повреждение суставной ткани, а затем используя химические сигналы, чтобы управлять ростом скелетных стволовых клеток по мере заживления травм. Работа опубликована авг. 17 место в журнале Nature Medicine.
"У хряща практически нулевой регенеративный потенциал во взрослом возрасте, поэтому, когда он поврежден или исчез, то, что мы можем сделать для пациентов, очень ограничено," сказал доцент хирургии Чарльз К.F. Чан, Ph.D. "Очень приятно найти способ помочь организму отрастить эту важную ткань."
Работа основана на предыдущих исследованиях в Стэнфорде, в результате которых была выделена скелетная стволовая клетка, самообновляющаяся клетка, которая также отвечает за производство костей, хрящей и особого типа клеток, которые помогают клеткам крови развиваться в костном мозге. Новое исследование, как и предыдущие открытия скелетных стволовых клеток мыши и человека, в основном проводилось в лабораториях Чана и профессора хирургии Майкла Лонгакера, доктора медицины.
Суставной хрящ представляет собой сложную и специализированную ткань, которая обеспечивает гладкую и упругую подушку между костями в суставах. Когда этот хрящ поврежден в результате травмы, болезни или просто истончается с возрастом, кости могут тереться друг о друга, вызывая боль и воспаление, что в конечном итоге может привести к артриту.
Поврежденный хрящ можно лечить с помощью метода, называемого микроперелом, при котором на поверхности сустава просверливаются крошечные отверстия. Техника микропереломов побуждает тело создавать новую ткань в суставе, но новая ткань не очень похожа на хрящ.
"В результате микроперелома образуется так называемый фиброзный хрящ, который на самом деле больше похож на рубцовую ткань, чем на естественный хрящ," сказал Чан. "Он покрывает кость и лучше, чем ничего, но он не обладает упругостью и эластичностью естественного хряща и имеет тенденцию относительно быстро разрушаться."
Последнее исследование отчасти возникло благодаря работе хирурга Мэтью Мерфи, доктора философии.D., приглашенный исследователь в Стэнфорде, который сейчас работает в Манчестерском университете. "Я никогда не чувствовал, что кто-то действительно понимает, как на самом деле работает микротрещина," Мерфи сказал. "Я понял, что единственный способ понять этот процесс – это посмотреть, что делают стволовые клетки после микроперелома." Мерфи – ведущий автор статьи. Чан и Лонгакер – соавторы.
В течение долгого времени, по словам Чана, люди предполагали, что взрослый хрящ не восстанавливается после травмы, потому что в ткани не так много скелетных стволовых клеток, которые можно было бы активировать. Работая на мышиной модели, команда задокументировала, что микротрещины действительно активировали скелетные стволовые клетки. Однако, предоставленные самим себе, эти активированные скелетные стволовые клетки регенерировали хрящевую ткань сустава.
Но что, если бы процесс заживления после микроперелома можно было направить в сторону развития хряща, а не фиброзного хряща?? Исследователи знали, что по мере развития кости клетки должны сначала пройти стадию хряща, прежде чем превратиться в кость. У них была идея, что они могут побудить скелетные стволовые клетки в суставе начать путь к превращению в кость, но остановить процесс на стадии хряща.
Исследователи использовали мощную молекулу, называемую костным морфогенетическим белком 2 (BMP2), чтобы инициировать формирование кости после микротрещины, но затем остановили процесс на полпути с помощью молекулы, которая блокировала другую сигнальную молекулу, важную для образования кости, называемую фактором роста эндотелия сосудов (VEGF).
"В итоге мы получили хрящ, который состоит из клеток того же типа, что и натуральный хрящ, с сопоставимыми механическими свойствами, в отличие от фиброзного хряща, который мы обычно получаем," Чан сказал. "Он также восстановил подвижность мышей с остеоартритом и значительно уменьшил их боль."
В качестве доказательства принципа того, что это также может работать на людях, исследователи перенесли человеческую ткань в мышей, которых разводили так, чтобы не отторгать ткань, и смогли показать, что человеческие скелетные стволовые клетки могут быть направлены на развитие костей, но останавливаться на хрящах. сцена.
Следующим этапом исследований является проведение подобных экспериментов на более крупных животных перед началом клинических испытаний на людях. Мерфи указывает, что из-за сложности работы с очень маленькими суставами мыши, могут быть некоторые улучшения в системе, которые они могли бы внести, когда они переместились в относительно более крупные суставы.
Первые клинические испытания на людях могут проводиться на людях с артритом пальцев рук и ног. "Мы можем начать с маленьких суставов, и если это сработает, мы перейдем к более крупным суставам, таким как колени," Мерфи говорит. "В настоящее время одна из самых распространенных операций по поводу артрита пальцев – удаление кости у основания большого пальца. В таких случаях мы можем попробовать это, чтобы спасти сустав, и если это не сработает, мы просто вынимаем кость, как мы бы это сделали в любом случае. Есть большой потенциал для улучшения, а обратная сторона – то, что мы вернемся туда, где были раньше."
Лонгакер отмечает, что одним из преимуществ их открытия является то, что основные компоненты потенциальной терапии одобрены FDA как безопасные и эффективные. "BMP2 уже одобрен для заживления костей, а ингибиторы VEGF уже используются в качестве противораковой терапии," Лонгакер сказал. "Это поможет ускорить одобрение любой разрабатываемой нами терапии."
Операция по замене сустава произвела революцию в том, как врачи лечат артрит, и очень распространена: к 80 годам каждому 10-му человеку будет заменено тазобедренное суставов, а каждому 20-му – колено. Но такая замена сустава является чрезвычайно инвазивной, имеет ограниченный срок службы и выполняется только после того, как начался артрит, и пациенты испытывают длительную боль. Исследователи говорят, что они могут представить себе время, когда люди смогут избежать артрита, в первую очередь, за счет омоложения хрящей в суставах до того, как они сильно разложатся.
"Одна из идей – следовать модели восполнения хрящевой ткани Jiffy Lube," Лонгакер сказал. "Вы не ждете накопления повреждений – вы периодически заходите и используете эту технику, чтобы укрепить суставной хрящ, прежде чем у вас возникнут проблемы."