Ученые из Северо-Западного университета (Northwestern University) создали инновационный биоактивный материал, который показал отличные результаты в регенерации хрящевой ткани в коленных суставах у крупных животных.
Хотя этот материал и выглядит как эластичная слизь, на самом деле он представляет собой сложную сеть молекулярных компонентов, которые, работая вместе, имитируют естественную среду хряща в организме.
В новом исследовании учёные использовали специальный материал для лечения повреждённых хрящей коленных суставов животных. Уже через шесть месяцев учёные заметили, что хрящи начали восстанавливаться. В результате образовался новый хрящ, содержащий природные биополимеры — коллаген II и протеогликаны. Эти вещества делают суставы более прочными и устойчивыми к механическим воздействиям, что позволяет избежать боли при движении.
Исследователи утверждают, что при дальнейшей разработке этот новый материал может стать основой для создания протезов коленного сустава, лечения остеоартрита и восстановления после спортивных травм, таких как разрыв передней крестообразной связки.
Исследование было опубликовано в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Хрящ — важнейшая составляющая наших суставов», — отметил Сэмюэл Ступп (Samuel Stupp) из Северо-Западного университета, который руководил исследованием.
Со временем повреждение или разрушение хряща может сильно ухудшить здоровье человека и ограничить его подвижность. Проблема в том, что хрящевая ткань у взрослых не может восстанавливаться сама по себе. Ученые разработали новую терапию, которая может стимулировать регенерацию в тканях, не способных к естественному восстановлению. Мы считаем, что наше лечение может помочь решить серьёзную проблему в медицине, которая пока не имеет эффективного решения.
Профессор Ступп — пионер в области регенеративной наномедицины. Он занимает должность профессора в попечительском совете кафедры материаловедения и инженерии, а также химии, медицины и биомедицинской инженерии в Северо-Западном университете.
В этом университете профессор Ступп является директором-основателем Института бионанотехнологий Симпсона Куэрри и Центра регенеративной наномедицины, который является дочерним центром Института.
Новое исследование основано на работе лаборатории Ступпа, которая была недавно опубликована. В этом исследовании команда использовала «танцующие молекулы», чтобы активировать клетки хряща человека. Это позволило увеличить выработку белков, которые формируют тканевый матрикс.
В новом исследовании вместо танцующих молекул предлагается использовать гибридный биоматериал, разработанный в лаборатории Ступпа.
Этот биоматериал состоит из двух компонентов:
* биоактивного пептида, который связывается с определённым белком (TGFb-1);
* модифицированной гиалуроновой кислоты — природного полисахарида, который присутствует в хряще и обеспечивает его смазку.виальной жидкости. в суставах.
«Гиалуроновая кислота хорошо известна как компонент средств по уходу за кожей, — говорит Ступп. — Она также естественным образом присутствует во многих тканях организма, например, в суставах и головном мозге. Мы выбрали её, потому что она напоминает природные полимеры, содержащиеся в хрящевой ткани».
Команда Ступпа создала уникальный продукт, объединив биоактивный пептид с химически модифицированными частицами гиалуроновой кислоты. Это позволило стимулировать самоорганизацию нановолокон, которые объединяются в пучки, имитирующие естественную структуру хряща.
Целью исследования было разработать особую структуру для собственных клеток организма, которая могла бы способствовать восстановлению хрящевой ткани. Материал содержит биоактивные сигналы, передаваемые через нановолокна. Эти сигналы стимулируют клетки, находящиеся внутри каркаса, к активному восстановлению хряща.
Чтобы определить, насколько хорошо материал способствует росту хряща, учёные провели исследование на овцах, у которых были проблемы с хрящом в коленном суставе — сложном соединении задних конечностей, похожем на человеческое колено. Эксперимент проводился в лаборатории Марка Маркела (Mark Markel), которая находится в Школе ветеринарной медицины Университета Висконсин-Мэдисон (School of Veterinary Medicine at the University of Wisconsin–Madison).
По словам Ступпа, жизненно важное значение имело тестирование на модели овцы. Овечьи хрящи, как и человеческие, отличаются своей прочностью и устойчивостью к повреждениям. Они медленно восстанавливаются после травм. Коленные суставы овец и человека похожи по весу, размеру и нагрузке, которую они испытывают.
«Эксперименты на овцах помогут нам лучше понять, как препарат подействует на людей», — сказал Ступп. «У более мелких животных регенерация хряща происходит намного легче».
В ходе исследования учёные вводили специальный пастообразный материал в область дефекта хряща. Этот материал преобразовывался в эластичную матрицу. В результате новый хрящ не только заполнил дефект, но и по мере разрушения каркаса ткань восстанавливалась, при этом её качество было стабильно выше по сравнению с контрольной группой.
Долгосрочное решение
Ступп считает, что в будущем новый материал можно будет применять для восстановления суставов во время открытых или артроскопических операций. Сейчас стандартным методом лечения является операция по микропереломам, когда хирурги создают небольшие переломы в подлежащей кости, чтобы стимулировать рост нового хряща.
«Основная проблема метода микропереломов в том, что он часто приводит к формированию фиброзного хряща, который похож на тот, что находится в наших ушах. А нам нужен гиалиновый хрящ для функциональных суставов», — объяснил Ступп.
«Наш подход позволит более эффективно восстанавливать гиалиновый хрящ, что сделает суставы более устойчивыми к износу. Это поможет избавиться от проблем с подвижностью и болью в суставах на длительный срок. Таким образом, мы сможем избежать необходимости проведения сложных операций по реконструкции суставов».
Литература:
Stupp, Samuel I., A bioactive supramolecular and covalent polymer scaffold for cartilage repair in a sheep model, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2405454121
Ведущий специалист отдела организации клинических исследований, терапевт, врач ультразвуковой диагностики АО «СЗМЦ» (г. Санкт-Петербург), главный редактор, учредитель сетевого издания Medical Insider, а также автор статей
E-mail для связи – [email protected];
