Ученые сделали новый шаг в направлении создания имплантируемого хряща. Результаты исследования, опубликованные в журнале Journal of Controlled Release, открывают новые возможности для лечения пациентов с повреждениями коленей, плечей, носовых и ушных хрящей, вызванными остеоартритом, а также спортивными или иными травмами.
Ученые из Западного Резервного Университета Кейса (Case Western Reserve University, США) предлагают методику создания хряща на основе использования тонких пластин из собственных мезенхимальных стволовых клеток пациента с добавлением мельчайших гранул с ростовым фактором. По сравнению с другими методами тканевой инженерии применение таких пластин позволяет получить более прочные и эластичные хрящи.
«Привлекательность нашей методики состоит в том, что для стимуляции формирования хряща мы используем аутологичные (собственные) стволовые клетки пациента, и при этом не требуется длительный период культивирования клеток, предшествующий их имплантации», - говорит руководитель исследования Ибен Альсберг (Eben Alsberg), доцент кафедры биомедицинской инженерии и кафедры ортопедической хирургии Западного Резервного Университета Кейса.
Ученые поместили трансформирующий фактор роста 1-бета в биодеградируемые желатиновые микросферы. По словам Алсберга, такой подход имеет ряд бесспорных преимуществ перед стандартной процедурой, подразумевающей внесение ростового фактора в культуральную среду. Равномерное распределение микросфер в слое стволовых клеток позволило создать структуру наподобие остова и образовать пространства между клетками, сохранившиеся после деградации гранул. Такие пространства позволяли лучше удерживать молекулы воды, что необходимо для обеспечения эластичности будущего хряща.
Благодаря действию химических веществ, выделяемых клетками, желатиновые гранулы деградировали с контролируемой скоростью и высвобождали фактор роста, который воздействовал на клетки с внутренней и внешней поверхности пластины, обеспечивая равномерную дифференцировку клеток в хондроциты (клетки хрящевой ткани).
Скорость деградации микросфер, а, следовательно, и скорость дифференцировки клеток можно корректировать с помощью степени поперечной сшивки микросфер. Полимеры микросфер соединены между собой с помощью разного количества химических связей. Чем больше связей между полимерами, тем больше времени требуется ферментам, выделяемым клеткой, для разрушения материала.
Ученые создали пять видов пластин. В первом варианте микросферы, содержащие ростовой фактор, имели небольшое количество поперечных сшивок. Во втором варианте, наоборот, микросферы с ростовым фактором имели большое количество связей между полимерами. В третьем и четвертом варианте микросферы, соответственно, с небольшим и большим количеством поперечных сшивок не содержали ростовой фактор. Контролем послужили пластины без микросфер. В последних трех вариантах ростовой фактор содержался в культуральной среде.
Через 3 недели после начала культивирования пластины, содержащие микросферы, стали толще и обладали большей эластичностью по сравнению с пластинами в группах контроля. Самый толстый и наиболее эластичный хрящ был получен при использовании пластины, содержащей микросферы с небольшим количеством поперечных сшивок между полимерами.
Результаты исследования показали, что микросферы с небольшим количеством поперечных сшивок обеспечивают непрерывное поступление ростового фактора в пластины, что усиливает однородность, степень и скорость дифференцировки стволовых клеток в хондроциты.
Образовавшаяся ткань аналогична хрящевой ткани суставов, например, коленному хрящу, содержащему клетки округлой формы, окруженные большим количеством гликозаминогликанов (ГАГ) – углеводсодержащих биополимеров, удерживающих ионы воды в ткани, что обеспечивает устойчивость хрящевой ткани к давлению.
Результаты исследований также продемонстрировали, что выбранная пластина содержала самое большое количество коллагена II типа – основного белкового компонента суставных хрящей.
Несмотря на то, что пластина, содержащая микросферы с небольшим числом поперечных сшивок, обладает большей упругостью по сравнению с контрольными пластинами, ее механические свойства все еще отстают от свойств натурального хряща. В настоящее время ученые под руководством Альсберга работают над оптимизацией своей методики и созданием заместительного хряща, обладающего достаточной жесткостью для того, чтобы выдерживать ежедневную амортизационную нагрузку.
Одним из главных преимуществ нового метода является возможность обеспечения быстрой имплантации хрящевой пластины пациенту.
Поскольку пластины, содержащие микросферы, обладают достаточной прочностью для переноса их вручную уже на ранних стадиях культивирования, ученые предполагают, что в клинической практике можно будет использовать пластины уже после 1-2 недель пребывания в лабораторных условиях. Механические свойства окружающей среды человеческого организма будут способствовать ускорению формирования хряща и увеличению его прочности и эластичности.
Источник: Cbio.ru
