Відновлення хряща Внутрішня западина - від науки до здоров’я

Підзаголовок

Біоінженерія для порятунку наших суглобів

На відміну від кісткової тканини, хрящ мало регенерує і важко заживає. Для вирішення цієї проблеми апробовано багато підходів до біоінженерії, особливо при лікуванні артрозу. Вони використовують клітинну інженерію (особливо зі стовбуровими клітинами), біоматеріали, які служать опорою, або навіть 3D-друк.

Час читання

15 хвилин

Останнє оновлення

11.01.16

Файл створений у співпраці з Жеремом Гіше, директором кістково-суглобової та стоматологічної лабораторії (Інсерм-відділення 791), керівником групи STEP (Фізична патологія скелета та суглобова регенеративна медицина), Нант

Зрозумійте проблему

Тканина, позбавлена нервів і судин

Хрящ - це тканина, функція якої полягає в тому, щоб передавати та розподіляти навантаження при напрузі на суглобах. Він виконує роль кульового підшипника та амортизатора між кістковими кінцями, супроводжуючи всі наші зусилля та рухи. Його клітини, які називаються хондроцитами, вбудовані в рясний позаклітинний матрикс, що складається в основному з колагенових волокон та протеогліканів (полісахаридів, які легко утримують воду).

На відміну від кістки, яка має значні лікувальні властивості, хрящ мало регенерує і важко заживає. Характерною особливістю хряща є те, що він ні іннервований, ні васкуляризований: відсутність нервів, а особливо судин, пояснює, чому в дорослому віці важко відновлюватись спонтанно. Однак наш хрящовий капітал крихкий, піддається травмам та різним запальним (артрит) або дегенеративним (артроз) патологіям. Вирішення цієї проблеми є справжнім викликом для дослідників, особливо в контексті старіння населення.

Хрящові захворювання: справжній виклик медицині

За підрахунками, у Франції 4,6 мільйона людей страждають на остеоартроз, кількість яких неухильно зростає через подовження тривалості життя та певні фактори ризику, які все частіше зустрічаються серед населення (наприклад, ожиріння). Сучасні методи лікування артрозу є лише симптоматичними. Протизапальні препарати та знеболюючі засоби тимчасово полегшують пацієнта, але вони не впливають на прогресування захворювання. Ці препарати також іноді мають серйозні побічні ефекти, що обмежує їх тривале застосування.

На додаток до артрозу, який є дегенеративним захворюванням та прогресуючим зносом, хрящ є мішенню багатьох інших патологій, деякі з яких є запальними, наприклад, ревматоїдний артрит. Це також може стати предметом численних травм у разі занадто багаторазових або занадто інтенсивних зусиль, зокрема, серед спортсменів або навіть певних професій, що піддаються впливу.

Захищають і відновлюють хрящі

Для задоволення потреб пацієнтів з ураженням хряща розроблено кілька хірургічних методик. Серед них, аутологічна трансплантація хондроцитів суглобів (взято у самого пацієнта), окремо або в поєднанні з носіями або біоматеріалами, показали надзвичайно перспективні результати. Однак це стикається з багатьма обмеженнями: труднощі у видаленні клітин, що підлягають трансплантації, та їх використання, іноді поганий ремонт пошкодженої тканини, мінливість реакції пацієнтів. Крім того, дослідники шукають більш задовільних рішень. Нещодавно можливість використання назальних хондроцитів, пов'язаних з колагеновою мембраною, як альтернативи суглобовим хондроцитам, була предметом клінічного випробування фази 1 і показала дуже багатообіцяючі результати.

Інша стратегія, вища за течією, стосується молекулярна біоінженерія: складається з виступають проти переродження хряща, шляхом визначення ранніх молекулярних механізмів, що впливають на його деградацію. Таким чином, потенційними цілями для розробки ліків проти остеоартриту є білки та медіатори, що відіграють активну роль у процесах остеоартриту. Деякі запальні цитокіни, які є різновидами вісника між клітинами, відіграють важливу роль, наприклад, при захворюваннях артрозом. Розуміння їх точної ролі у започаткуванні та прогресуванні хвороби може допомогти у розробці цільових препаратів. Нещодавно дослідники виявили кілька молекул, які відіграють важливу роль у гомеостазі хряща: HIF-α (для фактори, що індукуються гіпоксією-α), TGF-β (для трансформуючий фактор росту-β) і цинку. Однак поки рано говорити, чи призведуть ці відкриття до нових терапевтичних стратегій.

На додаток до ідентифікації нових терапевтичних цілей для лікування остеоартриту, в рамках проекту проводяться кілька клінічних випробувань клітинна біоінженерія. Ідея полягає в тому, щобвводити мезенхімальні стовбурові клітини (МСК) в пошкоджених регіонах, щоб викликати їх регенерацію. Ці клітини мають властивості самовідновлення та здатність диференціюватись на кілька типів клітин, включаючи хондроцити. Крім того, вони виділяють фактори, сприятливі для регенерації хряща. МСК містяться в різних тканинах, деякі з яких є легкодоступними: кістковий мозок, жирова тканина або навіть пуповинна кров. Проводяться фази 1 або 2 при остеоартрозі у чоловіків, такі як дослідження ADIPOA. Були отримані перспективні ефекти, особливо на біль.

Інша стратегія спрямована на відновлення пошкодженого хряща завдяки біоінженерія тканин, використання біоматеріали. Цей підхід вимагає попереднього розуміння механізмів деградації та синтезу хряща з метою розробки біоматеріалів, які ефективно імітують живу тканину. Можливі два шляхи: створення повністю функціональної тканини в пробірці, або використовувати незрілий трансплантат, який буде продовжувати рости в середовищі, в якому він був імплантований.

Тканинна інженерія: матриця, засіяна клітинами

Тканинна інженерія хряща складається з:

використовувати біоматеріал, який служить тривимірною матрицею,
насіньте його відповідними клітинами,
додати біологічно активні молекули (фактори росту), дозволяючи клітинам диференціюватись і розмножуватися, утворюючи тканину, що підлягає регенерації.

Хоча ця дорожня карта виглядає досить простою, її впровадження є особливо складним та вимагає багатьох наскрізних наукових та технологічних областей. Це означає, зокрема, вибір ідеального біоматеріалу, контроль життєвого циклу клітин (проліферація, диференціація та функціоналізація хондроцитів), додавання молекул, здатних сприяти їх зростанню, та інтеграція механічних обмежень, яким клітина повинна відповідати. Нова тканина.

Механіка живих істот

Тканини, особливо хрящі, пристосовуються до навколишнього середовища та руху. Тому вони постійно проходять механічні обмеження: стиснення, зсув, подовження (розтягування). Щоб функціонувати, біоматеріал повинен мати можливість ефективно реагувати на ці механічні обмеження. Але це ще не все: під час свого нормального розвитку в живій тканині клітини змінюють свою біологічну поведінку залежно від отриманих ними механічних сигналів (ми говоримо про механотрансдукція).

На кожному етапі проектування біоматеріалу необхідно перевірити, як 3D-матриця та її клітинні компоненти реагують на механічні обмеження. Ці аналізи є дуже точними, оскільки ступені кількісної та якісної експресії генів визначаються відповідно до частоти та інтенсивності механічних напружень, які отримує тканина, куди вставляються ці клітини.

Клінічне та промислове застосування, що накладає обмеження на вартість та безпеку для здоров'я, речовини-кандидати для утворення тривимірної матриці хряща також повинні бути недорогими та зберігати свої фізичні властивості на етапах стерилізації. Тому біологи, хіміки, клініцисти, інформатики, механіки та спеціалісти з тривимірних зображень працюють над дуже суворими функціональними характеристиками !

Проблеми дослідження

До ідеального біоматеріалу

За останні п’ятнадцять років біоматеріали перейшли від стану монофазних наповнювальних матеріалів, обмежуючи поширення уражень, до складних матеріалів, що підтримують регенерацію тканин.

3D-матриці, що використовуються в тканинній інженерії, розроблені з різних типів матеріалів, часто використовуваних у складі композитів: вони можуть базуватися на білках (колаген, фібрин, желатин тощо), полісахаридних полімерах (агароза, альгінат, гіалуронова кислота тощо). .) або штучні полімери (дакрон®, тефлон®, фосфати кальцію, поліактова кислота (PLA) тощо). Їх форма, мінлива, може мати форму пористої маси, піни, в’язкої рідини або гідрогелю.

Ідеальний біоматеріал повинен:

бути біосумісний і запобігати запальним та імунологічним реакціям, пов’язаним з його імплантацією,
подарувати a сприятлива тривимірна структура клітинна адгезія, проліферація та диференціація,
представити певний пористість щоб забезпечити міграцію клітин та дифузію молекул та поживних речовин,
прилипають до тканин, володіють певним опір і підтримувати свою цілісність після імплантації, щоб уникнути деградації,
клінічно, бажано застосовувати за допомогою малоінвазивної хірургії, тому в ідеалі ін’єкційні.

Близько двадцяти змішаних матриць, отриманих комбінуванням декількох біоматеріалів або зміною їх структури, в даний час проходять доклінічні (на тваринах) або клінічні (на людях) випробування. Зазвичай з сім'ї гідрогелі, кожен має унікальні властивості у сферах, що цікавлять дослідника та клініциста: біосумісність (відсутність запальної та імунної реакції), біологічна розкладність, біобезпека (здатність витримувати стерилізацію, не втрачаючи цікавих властивостей), пористість, адгезія до навколишніх тканин та стійкість до механічне навантаження.

Загалом, ці риштування дуже пористі і самі по собі не забезпечують достатньої механічної функції. Однак вони можуть служити матрицями для клітин та різних факторів. Серед різних досліджуваних типів ми можемо навести альгінатні або целюлозні гідрогелі, полімолочну кислоту або колагенові губки, волокна полігліколевої кислоти, нановолокна полікапролактону та вуглецеві волокна.

Стовбурові клітини для висіву біоматеріалу ?

хондроцити, клітини хряща, апріорі можуть здаватися найбільш придатними для колонізації біоматеріалу, який використовується як матрикс, а потім розвивають їх потенціал для відновлення пошкодженої тканини. Але ці клітини мають кілька недоліків. З одного боку, їх отримання шляхом збору з суглобового хряща є інвазивним актом, який виробляє лише зменшену кількість хондроцитів. З іншого боку, культура цих хондроцитів в пробірці індукує втрату їх клітинної специфічності і має тенденцію продукувати слабодиференційовані клітини (фібробласти). Ці обмеження пояснюють, чому трансплантація аутологічних суглобових хондроцитів має неоднозначні результати. Альтернатива носові хондроцити, захищений, зокрема, кількома європейськими командами, проте довів свою ефективність у клінічному випробуванні фази 1.

У той же час дослідники також звернулися до використання мезенхімальні стовбурові клітини (МСК). Коли матриця засіяна MSC, використання біореактори можна розглядати як стимулювання вироблення хряща МСК. Тут можна контролювати велику кількість параметрів: механічні обмеження (збудження, механостимуляція), внесок факторів росту та поживних речовин, рівні кисню та CO2.

Проводиться також інша робота, дуже попередня на цьому етапі, з плюрипотентними стовбуровими клітинами, тобто здатними диференціюватися на всі типи клітин в організмі. Використання індуковані плюрипотентні стовбурові клітини (IPS) зокрема вивчається. Ці клітини, отримані шляхом генетичного перепрограмування клітин дорослої шкіри, можуть уможливити майже безмежне генерування функціональних суглобових хондроцитів. Вони могли б зробити можливим, як було показано у гризунів, відновлювати дефекти хряща у поєднанні з ін’єкційним біоматеріалом гідрогелевого типу.