Комбинаторный подход к скринингу открывает путь к улучшению качества суставного хряща
                Остеоартрит, наиболее распространенная форма артрита, является дегенеративным заболеванием, характеризующимся постепенным разрушением суставного хряща, который проявляет ограниченную регенеративную способность. Стратегии тканевой инженерии на основе стволовых клеток имеют большие перспективы для лечения поврежденного суставного хряща и могут быть дополнены подходом, представленным в этом исследовании. Предоставлено: Dr. Jae H. Park

Хрящ, как резиноподобная эластичная ткань с широко варьирующимися свойствами, смазывает суставы, сохраняя их здоровыми и подвижными, и формирует многие из наших внутренних структур, таких как межпозвоночные диски в позвоночнике, гибкие соединения между ребрами и голосовой ящик, а также внешние ткани, такие как носы и уши.
                                                                                       

В частности, в суставах износ хряща с течением времени может в конечном итоге привести к болезненным контактам между костями и костью, а также к повреждению костей и воспалительным реакциям, которые поражают пациентов с остеоартрозом, наиболее распространенной формой артрита. , Только в США 32,5 миллиона взрослых страдают от остеоартрита, и до сих пор не существует стратегии, позволяющей длительно восстанавливать или заменять дегенерирующий суставной (суставной) хрящ.

Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи используют стратегии тканевой инженерии для создания хряща из стволовых клеток вне человеческого организма. Тем не менее, по словам Эбена Алсберга, доктора философии, из Университета Иллинойса в Чикаго, «может быть сложно предотвратить образование фиброкартига и гипертрофического хряща при использовании стратегий тканевой инженерии». После имплантации в суставы сконструированный хрящ может стать нестабильным и дисфункциональным, и способы, которые могут определять более сложные условия для производства высококачественного хряща ex vivo и его поддержания in vivo, до настоящего времени были ограничены.

Теперь совместная исследовательская группа во главе с Али Хадемхосейни, доктором философии, директором и генеральным директором Института Терасаки, разработала многокомпонентный метод скрининга на основе биоматериалов, который определяет состав материалов, а также механические и молекулярные стимулы, позволяющие стволовые клетки человека дифференцируются в клетки, способные генерировать более качественный суставной хрящ. Исследование опубликовано в Science Advances.

«Мы применили целостный подход к разработке хряща с помощью этого многокомпонентного подхода in vitro, проведя скрининг с высокой пропускной способностью по множеству комбинаций материальных, биомеханических и молекулярных параметров, чего раньше не было в этой сложности», — сказал Хадемхосейни. «Это позволило нам определить свойства и состав материалов, а также конкретные механические, биохимические и фармакологические факторы, которые помогают направлять мезенхимальные стволовые клетки человека (hMSC) по пути дифференцировки в направлении хондроцитов, продуцирующих суставный хрящ, in vitro и лучше поддерживать их функциональность при переносе. в мышей. «

Хондроциты, которые дифференцируются от hMSC, образуют хрящ, выделяя коллаген и другие биомолекулы в их внеклеточные среды, где они образуют гидратированный эластичный матрикс. Однако, поскольку дифференцированный хрящ сохраняет только относительно небольшое количество нормально функционирующих хондроцитов и не имеет поддерживающих кровеносных сосудов, он не может эффективно восстанавливаться и самовосстанавливаться.

В ходе исследования команда собрала компрессионный биореактор из трехмерных печатных компонентов с массивом из 288 отдельных биоматериалов на основе гидрогеля для скрининга множества параметров, представленных в естественной микросреде развивающегося хряща. Эти гидрогели состоят из двух разных биоматериалов: окисленного метакрилированного альгината (ОМА) и полиэтиленгликоля (ПЭГ). Два гидрогелевых компонента могут быть сшиты друг с другом для создания биоразлагаемой и биосовместимой плотной взаимосвязанной эластичной сети. В биоматериал исследователи встроили hMSC, а также связывающиеся с клетками лиганды, которые имитируют нормальную внеклеточную среду развивающегося хряща, и факторы роста, способствующие дифференцировке клеток хряща. Биогенератор из гидрогеля с инкапсулированными hMSC можно механически манипулировать между неподвижными и подвижными пластинами, в результате чего подвижная пластина циклически выталкивается снизу с помощью точно откалиброванных сил, вызывая сжатие каркаса из биоматериала, а затем каждый раз снова ослабление.

Комбинаторный подход к скринингу открывает путь к улучшению качества суставного хряща
                Метод высокопроизводительного скрининга на основе биоматериалов, который может одновременно тестировать сочетания физических и биохимических факторов на их способность синергически формировать функциональный суставный хрящ из стволовых клеток, позволил команде идентифицировать специфическую индуцирующую хрящ микросреду. Предоставлено: лаборатории Хадемхоссейни и Альсберга.

Чтобы иметь возможность поддерживать hMSC с помощью специфической для хряща среды для культивирования клеток и подвергать их воздействию дополнительных биохимических сигналов, пока они дифференцируются, устройство было разделено на несколько камер, каждая из которых связана с системой микрофлюидной поддержки. Поскольку все соответствующие биоматериалы, механические и химические параметры могут индивидуально варьироваться между биоматериалами массива, исследователи могут изучать несколько комбинаций сигналов одновременно.

«Наш подход позволил точно определить биоматериальные композиции, которые обеспечили хорошее представление о физических свойствах гидрогеля, точных количествах внеклеточного матрикса и критических факторов роста, а также механической стимуляции, необходимой hMSC для развития этой сложности в высокофункциональные суставные хондроциты в сконструированных клетках. система «, сказал соавтор Джунмин Ли, доктор философии, доктор наук в группе Хадемхоссейни.

Алсберг добавил, что стратегия биоматериалов, управляемая устройством, «определила сигналы в клеточной микросреде, которые могут приводить инженерные ткани к предпочтительному фенотипу гиалинового хряща». Хондроциты, которые созревали в биоматериалах, выделяли значительное количество молекул внеклеточного матрикса, которые составляют естественный суставной хрящ.

Ли и другой соавтор Oju Jeon, доктор философии, профессор, работающий с Alsberg и другими членами команды, также изучали молекулярные пути, которые хондроциты обычно используют для передачи механических сигналов из внеклеточной среды, чтобы контролировать свои экспрессия генов «Мы обнаружили, что субоптимальные свойства биоматериала, которые повышают активность механотрансдуцирующего белка под названием YAP и его последующие эффекты, заставляют хондроциты переходить в менее функциональное состояние, сильно напоминающее состояние гипертрофированного хряща у пациентов», — сказал Чон. «Напротив, ингибирование YAP определенным лекарственным средством способствовало образованию функциональных суставных хондроцитов в нашей системе».

Ингибитор YAP, а также ингибитор WNT, другого белка, участвующего в механотрансдукции, также были найдены командой в поиске лекарств, которые способствовали бы формированию здорового суставного хряща в их системе.

Чтобы выяснить, может ли их общий подход позволить генерировать хондроциты, которые также будут более эффективными in vivo, они расширили успешное состояние, которое стало результатом их процедуры скрининга, с гидрогеля диаметром 1 мм до того, который измерял 8 мм в диаметр. «Когда мы активно ингибировали YAP или механический датчик сигнала WNT в течение 21 дня дифференцировки хондроцитов in vitro, имплантировали искусственную ткань под кожу мышей и снова анализировали имплантаты через дополнительные 21 день, мы наблюдали хондроциты более высокого качества со значительно «меньше гипертрофии по сравнению с контрольной группой, которой не вводили ингибиторы до имплантации», — сказал Чон.

«Возможности, которые предлагает наш подход, и информация, которую он уже помог нам предоставить, является важным шагом на пути к созданию действительно терапевтического суставного хряща, и некоторые из полученных нами идей также могут быть использованы для усиления функции существующего суставного хряща. у пациентов с остеоартрозом и для более персонализированных стратегий «, — сказал Хадемхоссейни. Его группа продолжает свои усилия на стыке платформ персонализированных имплантатов, персонализированных клеток и персонализированных материалов Института Терасаки в сотрудничестве с лабораторией Alsberg Stem Cell & Engineered Novel Therapeutics (ASCENT).




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *