Новый инъекционный препарат на основе быстро движущихся молекул активизирует регенерацию хряща всего за три дня. Ранее эти «танцующие молекулы» были эффективны для восстановления тканей спинного мозга, но их воздействие на хрящ демонстрирует универсальность, которая может указывать на универсальное явление. Таким образом, это соединение потенциально может быть использовано для восстановления многих других типов тканей.
Остеоартрит — это дегенеративное заболевание суставов, которым страдают почти 528 миллионов человек во всем мире. Распространенность заболевания составляет 365 миллионов человек, а наиболее часто поражается коленный сустав. Как правило, он проявляется в возрасте от сорока до пятидесяти лет и является одной из основных причин инвалидности.
Заболевание характеризуется износом хряща, окружающего сустав, что приводит к воспалению, сильной боли и скованности движений. На поздних стадиях заболевания хрящ может стать настолько тонким, что превращается в кость, не имеющую промежуточной амортизирующей структуры. Это приводит к избыточному выделению суставной жидкости, в свою очередь вызывая отеки и деформации суставов, характерные для этого заболевания.
Хотя симптомы можно облегчить с помощью физических упражнений и сбалансированной диеты (для укрепления мышц и поддержания здорового веса), в настоящее время в качестве эффективного лечения предлагается только операция по замене сустава, которая является дорогостоящей и инвазивной. Фармакологические же варианты направлены исключительно на замедление прогрессирования заболевания.
Кроме того, у человека хрящ не может регенерировать после повреждения. «Вариантов регенерации не существует, потому что люди не обладают врожденной способностью к регенерации хряща во взрослом возрасте«, — объясняет Сэмюэл И. Ступп из Северо-Западного университета (США). Кость же, напротив, способна восстанавливаться после перелома, и для ее адаптации к постоянным механическим нагрузкам необходим непрерывный процесс обновления и восстановления.
В 2021 году команда Штуппа выявила быстродвижущиеся молекулы, способные восстанавливать ткани и обращать вспять паралич после тяжелых травм спинного мозга. В рамках нового исследования группа изучила, как можно применить эту стратегию для регенерации хряща. Другими словами, цель исследования — определить, могут ли эти «танцующие молекулы» подтолкнуть неподатливую хрящевую ткань к регенерации.
«Когда мы впервые заметили терапевтический эффект танцующих молекул, мы не увидели причин, почему это должно быть применимо только к спинному мозгу«, — говорит Штупп, ссылаясь на новое исследование, недавно опубликованное в Journal of the American Chemical Society.
Молекулы, координирующие свои движения с клеточными рецепторами
Танцующие молекулы — это крупные агрегаты, образующие нановолокна (известные как «супрамолекулярные полимеры»), состоящие из десятков и сотен тысяч молекул и взаимодействующие с клеточными рецепторами. Фармакологическая сигнализация в клетках происходит за счет связывания органических молекул с белками на их поверхности. Этот процесс позволяет активировать или ингибировать целевые биомолекулярные реакции.
В своей предыдущей работе Штупп и его коллеги обнаружили, что быстро движущиеся молекулы могут легко обнаруживать и правильно взаимодействовать с клеточными рецепторами, которые также находятся в постоянном движении и чрезвычайно переполнены (и поэтому их трудно нацелить на обычные молекулы). Эти молекулы также могут временно «спрыгивать» со своего места связывания, отсюда и название «танцующие молекулы».
После введения нановолокна имитируют внеклеточный матрикс окружающей ткани. В некотором смысле они адаптируются к структуре этого матрикса, координируя свои движения с движениями рецепторов и встраивая в них биологически активные сигналы. Это позволяет вызывать в клетках целенаправленные реакции.
Универсальное средство, способное воздействовать на множество типов тканей
В лабораторных экспериментах исследователи нацелились на специфический рецептор, необходимый для формирования и поддержания целостности хрящевой структуры. Для этого они разработали круговой пептид, имитирующий трансформирующий фактор роста бета-1 (TGFb-1), который участвует в росте и пролиферации клеток. Затем этот пептид соединили с двумя различными молекулами, образовав супрамолекулярные агрегаты в воде. Один из полимеров имеет структуру, которая позволяет ему двигаться свободно, в то время как другой предназначен для ограничения движения всей молекулы.
Клетки хряща вырабатывают больше белковых компонентов (коллаген II и аггрекан) для регенерации при обработке быстро движущимися танцующими молекулами (слева) по сравнению с медленно движущимися молекулами (справа).
«Мы хотели модифицировать структуру, чтобы сравнить две системы, различающиеся по степени подвижности. Интенсивность супрамолекулярного движения в одной из них гораздо выше, чем в другой«, — объясняет Штупп.
Исследователи обнаружили, что полимер, созданный для более подвижного движения, эффективнее имитирует сигнализацию TGFb-1. Он был даже более эффективен, чем природный полимер. Клетки человеческого хряща вырабатывали большее количество регенеративных белковых компонентов уже через три дня после воздействия молекулы. Это эффективно активировало производство коллагена 2-го типа и аггрекана — основных белков, поддерживающих структуру хряща.
«Теперь мы наблюдаем воздействие на два типа клеток, которые совершенно не связаны друг с другом: хрящевые клетки в наших суставах и нейроны в головном и спинном мозге. Это подкрепляет мою идею о том, что мы, возможно, открыли универсальное явление. Оно может распространяться на многие другие ткани«, — предполагает Штупп.
Эксперты считают, что эти эффекты могут быть значительно улучшены в доклинических моделях. В настоящее время ведутся соответствующие испытания. Команда также планирует оценить влияние танцующих молекул на регенерацию костей с помощью человеческих органоидов. В то же время исследователи уже завершают подачу заявки в Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов, чтобы получить разрешение на проведение клинических испытаний терапии для восстановления спинного мозга.
