Новое исследование поможет усовершенствовать регенерацию костей
Результаты недавнего исследования американских ученых заложили основы для нового подхода к усовершенствованию процедур по сращению позвонков, восстановлению костей при крупных переломах и других повреждениях. Он позволит избежать патологического разрастания костной ткани, которое обычно происходит при использовании существующих методик и сводит на нет результаты лечения.
Жизнеспособность предлагаемого подхода они проверили на крысах с переломами бедренных костей, у которых он позволил значительно сократить рост костной ткани за пределами зоны восстановления. Нужного эффекта команда добилась за счет доставки мощного костеобразующего белка – BMP – с использованием нового биоматериала на основе гепарина. Результаты исследования, которым руководила биоинженер из Университета Орегона Мэриан Хэттиаратчи, были опубликованы в Science Advances.
BMP, или костный морфогенетический белок, относится к группе факторов роста, которые организуют построение костной и хрящевой тканей в теле. Благодаря этим свойствам он нашел применение в регенерационной медицине. Несмотря на эффективность в стимулировании формирования новой костной ткани, традиционная доставка высоких доз белка была связана с многочисленными осложнениями, включая воспаление мягких тканей и их аномальное окостенение.
Хеттиаратчи впервые начала изучать использование микрочастиц гепарина, широко использующегося для разжижения крови, для доставки BMP как возможный способ остановить ненормальный рост костей за пределами восстанавливаемого участка более пяти лет назад во время учебы в аспирантуре Технологического института Джорджии.
В ходе нового ученая и ее коллеги проанализировали результаты своих более ранних экспериментов, проведенных как на крысах, так и на клеточных культурах в пробирке, с использованием компьютерного моделирования, чтобы найти возможные способы скорректировать существующий подход к доставке на основе гепарина. Для этого они провели тестирование на животных, используя уровни ВМР, сравнимые с дозами, необходимыми для восстановления поврежденных костей у человека.
«Мы сосредоточились на использовании клинически более значимых доз, – поясняет Мэриан Хэттиаратчи. – Обычно при лечении людей используют 0,1–0,2 мг белка на килограмм веса, поэтому мы использовали такое же количество у крыс. В большинстве исследований, проведенных на грызунах, для восстановления кости применяются в десять раз меньшие дозы ВМР, что несопоставимо с тем, что происходит после его введения у людей, и не демонстрирует побочных эффектов терапевтической дозы BMP-препаратов».
Команда использовала две разные по составу комбинации, что привело к уменьшению патологического разрастания костной ткани на 40–50%. Микрочастицы гепарина содержат длинноцепочечные линейные полисахариды гепарина с сульфатированными группами, которые обеспечивают ему более сильную способность к связыванию с BMP.
Смесь из гепарина и костеобразующего белка, созданная на основе альгинатного гидрогеля, была введена внутрь сетчатой трубки из нановолокон, созданной одним из членов исследовательской команды для отделения зоны восстановления, которая уже была имплантирована в область повреждения бедренных костей у крыс. Ранее при восстановлении костной ткани у людей высокие дозы ВМР-препаратов вводили в коллагеновую губку, которая, как выяснилось позже, не обладает специфическим сродством к костеобразующему белку, не способна эффективно удерживать его в матрице нужное количество времени и может даже препятствовать регенерации. Это и приводило к осложнениям в виде аномального окостенения окружающих мягких тканей.
По словам руководительницы исследования, полученные результаты скорее подтверждают работоспособность предложенной концепции для корректировки подхода, но пока не открывают путь к клиническим испытаниям на людях. Конечной целью команды является создание синтетических гепариноподобных частиц для доставки ВМР к месту повреждения кости, которые позволят достигать той же эффективности и при этом избегать возможных побочных реакций, связанных с гепарином.
«Основная проблема при заживлении крупных костных дефектов в том, что ВМР-препараты, доставляемые с использованием коллагеновых губок, приводят к аномальному костеобразованию, так как материал доставки не способен удерживать лекарство, – говорит Хэттиаратчи. – Разработанный нами новый биоматериал сохраняет гораздо большее количество терапевтического белка, удерживая его в нужных границах. Это исключает образование костной ткани за пределами восстанавливаемого участка».
Вместе с коллегами Хеттиаратчи начала разработку синтетического материала для локализации доставки белка, который позволил бы избежать потенциальных побочных эффектов применения гепарина, широко используемого антикоагулянта, который предотвращает образование тромбов. Она отметила, что ни один из длинного перечня известных побочных эффектов гепарина не наблюдался у крыс. Другая потенциальная проблема заключается в том, что многочисленные сульфатные группы гепарина могут связываться с другими белками, не участвующими в восстановлении кости.
В идеале, по ее словам, синтетический гепариноподобный препарат можно разработать так, чтобы он связывался только с BMP. Именно этим и займется лаборатория ученой в Университете Орегона. «Мне бы хотелось, чтобы в будущем этот подход нашел более широкое применение; его можно использовать для лечения других травм и заболеваний, поскольку белки играют важную роль в каждой системе организма», – говорит Хэттиаратчи. – Цель моей лаборатории – создавать биоматериалы, которые смогут доставлять белки в места повреждения с высокой точностью, чтобы ускорить восстановление тканей».
