Новый биоматериал обеспечивает высококачественную регенерацию хряща

Исследователи разработали биоактивный материал, который стимулирует регенерацию высококачественного хряща в суставах in situ. Материал состоит из сложной сети пептидных нановолокон и модифицированной гиалуроновой кислоты, имитирующей среду естественного хряща. В ходе испытаний на моделях овец было отмечено значительное восстановление всего за шесть месяцев.

Хрящ, окружающий суставы, с возрастом изнашивается, поскольку постоянно подвергается значительным механическим нагрузкам. Этот износ может привести к болезненным и инвалидизирующим состояниям, таким как остеоартрит. Хрящ также более подвержен разрушению у людей, занимающихся интенсивной физической деятельностью, например, у спортсменов и работников складов. Однако, в отличие от костной и других тканей организма, хрящ не обладает врожденной способностью к регенерации.

Современные методы лечения в основном предполагают замену сильно поврежденных суставов протезами. Например, по оценкам специалистов, ежегодно проводится около 1,3 миллиона операций по замене коленного сустава. Другие методы основаны на пересадке хряща, однако приживаемость трансплантатов и доступность доноров вызывают проблемы.

Для стимуляции регенерации хряща также используется процедура, при которой искусственно вызываются микропереломы в основной кости. Однако вновь образованная ткань представляет собой фиброхрящ (тот же самый, из которого состоят наши уши), чьи механические свойства уступают свойствам гиалинового хряща, который обеспечивает эластичность и подвижность наших суставов.

В новом исследовании, недавно опубликованном в журнале PNAS, группа специалистов из Северо-Западного университета и Университета Висконсин-Мэдисон предложила новую методику эффективной регенерации гиалинового хряща. "Наша новая терапия может вызвать восстановление в ткани, которая не восстанавливается естественным путем. Мы считаем, что наш метод лечения может помочь решить серьезную неудовлетворенную клиническую потребность", — объясняет в пресс-релизе Сэмюэл И. Штупп, возглавлявший исследование в Северо-Западном университете.

Обзор поражения сустава, оставленного без лечения и обработанного новым биоматериалом:

Гибридный материал, способствующий пролиферации хрящевых клеток

Новая методика основана на использовании биоактивных строительных каркасов для поддержки роста хрящевых клеток. Исследования ранее показали, что эти структуры являются перспективной альтернативой для стимулирования регенерации хряща после его инфильтрации родными клетками. Это позволяет избежать дорогостоящих и трудоемких манипуляций ex vivo, необходимых для клеточной терапии.

Эти каркасы обычно изготавливаются из натуральных полимеров или полисахаридов, таких как гиалуроновая кислота (присутствует в хряще и синовиальной жидкости, смазывающей суставы), что позволяет им имитировать химическую среду натурального хряща. Они также пропитаны биологически активными веществами, такими как трансформирующий фактор роста β (TGFβ), цитокин, необходимый для дифференциации и роста клеток. Было показано, что эти материалы способствуют пролиферации хондроцитов (крупных округлых клеток, из которых состоит хрящ) в экспериментах in vitro и на небольших животных моделях.

Однако лишь немногие вещества оказались способны регенерировать хрящ на более крупных животных моделях. Это связано с тем, что суставы этих животных подвергаются большей механической нагрузке. Это означает, что человеческие суставы могут быть смоделированы более достоверно.

Чтобы восполнить эти пробелы, новый материал команды Штуппа сочетает в себе как биоактивный пептид, связанный с TGFβ, так и модифицированную гиалуроновую кислоту. "Многие люди знакомы с гиалуроновой кислотой, поскольку это вещество широко используется в средствах по уходу за кожей", — объясняет Штупп. "Она также содержится в естественном виде во многих тканях человеческого организма, включая суставы и мозг. Мы выбрали ее, потому что она похожа на природные полимеры, содержащиеся в хряще", — говорит он.

Такое сочетание побуждает нановолокна самоорганизовываться в сети, которые затем могут быть использованы в качестве стабильного каркаса для стимулирования пролиферации клеток гиалинового хряща.

Регенерация более износостойкого хряща через 6 месяцев

Чтобы оценить эффективность нового материала, исследователи выбрали овец с повреждениями хряща голени — сложного сустава бедра, голени или надколенника четвероногих, эквивалентного колену у человека. Более того, эти модели были выбраны потому, что механическая нагрузка, которую выдерживают их голени, очень похожа на ту, которую приходится выдерживать человеческим коленям. И, как и человеческий хрящ, овечий хрящ крайне сложно регенерировать.

Например, "исследование на модели овцы лучше предсказывает эффективность лечения у людей", — объясняет Штупп. "У других, более мелких животных, регенерация хряща происходит гораздо легче", — добавляет он.

Для того чтобы ввести материал в пораженные суставы овец, его измельчили до пастообразного состояния. Когда он вступал в контакт с кальцием, содержащимся в костях, он затвердевал, образуя резинообразную матрицу, в которой начинали пролиферировать хондроциты. Новые клетки заполняли очаги поражения по мере того, как каркас постепенно разрушался.

Через шесть месяцев было отмечено значительное улучшение, а качество регенерированной ткани явно превосходило контрольные модели. "Регенерируя гиалиновый хрящ, наш подход должен быть более устойчивым к износу, что позволит решить проблему плохой подвижности и длительной боли в суставах, избегая необходимости реконструкции суставов с использованием больших кусков материала", — говорит Штупп.

Эксперты считают, что в долгосрочной перспективе материал можно будет использовать для лечения повреждений суставов во время открытых операций. Лечение может быть более эффективным и для людей, поскольку, в отличие от животных, мы временно обездвижены после операции, что дает хрящу время для нормальной регенерации. Однако прежде чем перейти к клиническим испытаниям, необходимо провести дополнительную работу по оценке безопасности терапии.