Новый биоинженерный метод регенерации межпозвоночных дисков

Согласно данным ученых из Дьюкского университета (Duke University), Северная Каролина, США, применение клеточной терапии при лечении больных с дегенеративными заболеваниями межпозвоночных дисков может устранить или существенно уменьшить выраженность болевого синдрома и нетрудоспособности, а также снизить степень разрушения вещества межпозвоночных дисков.

Данная патология поражает миллионы людей во всем мире, в США, в частности, от нее страдают десятки тысяч американцев. Применение клеточной терапии в лечении дегенеративных заболеваний позвоночника требует поддержания клеток в живом состоянии для синтеза соответствующего заместительного материала с последующей его имплантацией в позвоночник больного. Решение данной проблемы стало более реальным с созданием новых биоматериалов в Школе инженерии Пратта (Pratt School of Engineering) Дьюкского университета.

В концептуальном исследовании, результаты которого опубликованы онлайн в «Biomaterials», описан новый биоматериал, созданный для доставки в пульпозное ядро «прививки» из репаративных клеток. Пульпозное ядро межпозвоночного диска — естественная гелеобразная «подушка», расположенная между позвоночными дисками. Ткань пульпозного ядра равномерно распределяет статическое давление на позвоночник и обеспечивает его подвижность, уменьшая болезненные ощущения в спине.

Основной целью ученых было создание материала со свойствами жидкости вначале, гелеобразными свойствами после введения в область диска, а также способностью удерживать клетки в том локусе, где необходимы их функции. Второстепенной — создание материала, который бы обеспечивал клеткам соответствующую среду, поддерживающую их сохранность и биосинтетические функции.

Дегенеративные заболевания межпозвоночных дисков являются весьма распространенной проблемой среди лиц старшей возрастной категории. С возрастом мягкая, упругая ткань дисков, выполняющих амортизирующую функцию для позвоночника, начинает разрушаться. И хотя дегенерация межвертебральных дисков может иметь место в любом отделе позвоночника, этот процесс наиболее выражен в шейном и пояснично-крестцовом отделах, вызывая при этом достаточно интенсивные болевые ощущения. У пациентов с дегенеративными изменениями межпозвоночных дисков могут также развиваться грыжи дисков, остеоартриты — дегенеративные изменения суставных фасеток или спинальные стенозы — сужения свободного пространства в позвоночном канале, которые приводят к давлению на корешки спинного мозга или спинной мозг.

Предыдущие лабораторные исследования показали, что реимплантация клеток пульпозного ядра, или даже стволовых клеток, может существенно отсрочить начало дегенеративных процессов в межпозвоночных дисках. В настоящий момент несколько компаний предлагают методики клеточной доставки, однако они являются несовершенными и малоэффективными. По мнению экспертов, предлагаемые технологии не в состоянии удержать клетки в области инъекции, напротив — они достаточно быстро оттуда мигрируют и покидают ее.

Технология доставки клеток, разработанная учеными Дьюкского университета, обеспечивает пребывание репаративных клеток в нужном участке и создает для клеток подобие естественной среды, имитируя свойства ламинина — белка, содержащегося в нативной ткани пульпозного ядра.

Ламинин, как правило, содержится в молодой ткани диска, в дегенеративно измененной ткани он отсутствует. Таким образом, имитация свойств ламинина позволяет клеткам закрепиться в области инъекции вместе с доставленным биоматериалом. Кроме того, ламинин способствует более продолжительной способности клеток синтезировать необходимый внеклеточный матрикс или структурный каркас диска, что в итоге тормозит дегенеративные процессы в диске.

Ученые, при фондовой поддержке Национального института здоровья США (National Institutes of Health) разработали гелевую смесь, предназначенную для введения клеток пульпозного ядра в область межпозвоночного диска. В гелевой смеси содержатся 3 компонента — химически модифицированный белок ламинин-111 (laminin-111) и 2 вида полиэтиленгликолевого гидрогеля, способных прочно прикрепляться к ламинину-111. Отдельно эти субстанции имеют жидкую структуру. Однако гелевая структура смеси всех 3 компонентов позволяет удерживать клетки в месте введения.

Ученые в экспериментах на лабораторных животных для отслеживания вводимых клеток пульпозного ядра использовали биолюминесцентный маркер — люциферазу. Гелевую смесь вводили в хвост крысы в качестве имитации введения клеток в позвоночник пациента. После прохождения иглы через наружный тонкий слой хвостовой части позвоночника крысы иглу задерживали на 1 мин, затем вводили смесь в межпозвоночный диск. Введенный раствор начинал уплотняться и загустевать через 5 мин после введения и окончательно принимал структуру геля через 20 мин.

Отслеживание смеси по люциферазному маркеру через 14 дней показало, что при доставке клеток в межпозвоночный диск в виде гелевой смеси с биоматериалом значительно большее количество введенных клеток оставались в области инъекции, чем при введении клеток в виде водной суспензии. Ученые подтвердили, что в результате применения существующих методик доставки клеток в 100% случаев введенные клетки пульпозного ядра вытекают из области инъекции в течение первых 3–4 дней после процедуры.

Основной концепцией разработки была идея создания биоматериала для обеспечения жизнеспособности и биосинтетических функций клеток — синтеза матрикса, поддерживающего тканевую регенерацию и тормозящего дегенеративные процессы. Для достижения этой цели необходимы дополнительные исследования, в ходе которых будут оценивать динамику высоты межпозвоночного диска или степени гидратации матрикса после введения биоматериала.

По мнению ученых, полученные результаты, несмотря на свой предварительный характер, могут иметь значительное положительное влияние на будущее клеточной терапии. Авторы признают, что в их планах — большая дополнительная работа по оптимизации оснащения с целью доставки биоматериала в межпозвоночные диски большего размера, близкого к размерам человеческого диска.

Duke University (2013) Bioengineers develop new approach to regenerate back discs. ScienceDaily, July 17 (www.sciencedaily.com/releases/2013/07/130716120108.htm).

Francisco A.T., Mancino R.J., Bowles R.D. et al. (2013) Injectable laminin-functionalized hydrogel for nucleus pulposus regeneration. Biomaterials, July 10 [Epub ahead of print].

Ольга Федорова

 

http://www.umj.com.ua

Запись опубликована в рубрике Коллегам с метками , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Комментарии запрещены.