Ученые США применили «танцующие молекулы» для лечения повреждения хрящей
Новое исследование, которое расширило применение метода использования быстро движущихся «танцующих молекул» для восстановления хрящевой ткани, выполнила научная группа Северо-Западного университета (Northwestern) в США, 26 июля сообщает пресс-служба университета.
Ранее, в ноябре 2021 года, исследователи из Northwestern представили научной общественности новую инъекционную терапию, в которой быстро движущиеся «танцующие молекулы» использовались для восстановления тканей и устранения паралича после тяжелых травм спинного мозга.
В новом исследовании той же научной группы они применили эту терапевтическую стратегию к поврежденным клеткам человеческого хряща, активировав всего за четыре часа экспрессию генов, необходимую для его регенерации. А уже через три дня человеческие клетки вырабатывали белковые компоненты для регенерации хряща.
В ходе исследования ученые установили, что увеличение молекулярного движения увеличивало эффективность лечения. То есть именно «танцевальные» движения молекул были решающими для запуска процесса роста хряща.
Руководитель исследования, директор-основатель Института бионанотехнологий Симпсона Куэрри и его дочернего Центра регенеративной наномедицины в Северо-Западном университете Сэмюэл И. Стапп рассказал о новых достижениях своей научной группы:
«Когда мы впервые наблюдали терапевтические эффекты танцующих молекул, мы не увидели никаких причин, по которым это должно применяться только к спинному мозгу. Теперь мы наблюдаем эффекты в двух типах клеток, которые полностью отделены друг от друга — хрящевых клетках в наших суставах и нейронах в нашем головном и спинном мозге. Это вселяет в меня еще большую уверенность в том, что мы, возможно, открыли универсальное явление. Оно может применяться ко многим другим тканям».
В 2019 году, по данным ВОЗ, около 530 млн человек в мире страдали остеоартритом, дегенеративным заболеванием, при котором ткани суставов со временем разрушаются, приводя к инвалидности. Хрящ у больных тяжелым остеоартритом может быть изношен так сильно, что в суставах, по сути, кости трутся друг о друга.
Кроме очень сильной боли, испытываемых больными, их суставы в этом случае уже больше не могут нормально функционировать, и единственным эффективным методом лечения является замена сустава — дорогостоящей и инвазивная операция.
«Современные методы лечения направлены на замедление прогрессирования заболевания или отсрочку неизбежной замены сустава, — указал Стапп. — Регенеративных вариантов не существует, поскольку у людей нет врожденной способности к регенерации хряща во взрослом возрасте».
Однако после проведенного исследования регенеративных возможностей «танцующих молекул» Стапп и его команда предположили, что эти молекулы могут стимулировать и регенерацию хрящевой ткани.
Изобретенные в лаборатории Стаппа «танцующие молекулы» представляют собой сборки, формирующие синтетические нановолокна из десятков или сотен тысяч молекул, передающих мощные сигналы клеткам.
Настраивая их коллективные движения посредством изменения химической структуры, Стапп обнаружил, что движущиеся молекулы могут быстро находить и правильным образом взаимодействовать с клеточными рецепторами, которые также находятся в постоянном движении и чрезвычайно плотно расположены на клеточных мембранах.
Нановолокна, попав внутрь организма, имитируют внеклеточный матрикс окружающей ткани. Соответствуя структуре матрикса, имитируя движение биологических молекул и включая биоактивные сигналы для рецепторов, синтетические нановолокна способны общаться с клетками.
«Клеточные рецепторы постоянно перемещаются, — пояснил Стапп. — Заставляя наши молекулы двигаться, „танцевать“ или даже временами выпрыгивать из этих структур, известных как супрамолекулярные полимеры, можно добиться более эффективного их взаимодействия с рецепторами».
Для решения задачи восстановления хряща Стапп и его команда обратились к рецепторам для поиска специфического белка, необходимого для формирования и поддержания хрящевой ткани.
Чтобы воздействовать на этот рецептор, ими был синтезирован новый кольцевой пептид, имитирующий биоактивный сигнал белка, который называется трансформирующим фактором роста бета-1 (TGFb-1).
Далее они включили этот пептид в две разные молекулы, которые, взаимодействуя, образуют в воде супрамолекулярные полимеры, каждый из которых обладает одинаковой способностью имитировать TGFb-1. При этом один супрамолекулярный полимер имеет специальную структуру, позволяющую его молекулам двигаться более свободно внутри больших сборок, а у второго супрамолекулярного полимера структура значительно ограничивала его молекулярное движение.
«Мы хотели изменить структуру, чтобы сравнить две системы, различающиеся по степени своей подвижности», — пояснил Стапп. Оба полимера имитировали сигнал для активации рецептора TGFb-1, но полимер с быстро движущимися молекулами был намного эффективнее, причем превосходил по эффективности даже белок, активирующий рецептор TGFb-1 в природе.
«Через три дня человеческие клетки, подвергшиеся воздействию длинных сборок более подвижных молекул, выработали большее количество белковых компонентов, необходимых для регенерации хряща, — рассказал Стапп. — Для производства одного из компонентов хрящевого матрикса, известного как коллаген II, „танцующие молекулы“, содержащие циклический пептид, активирующий рецептор TGF-beta1, оказались даже более эффективными, чем естественный белок, который выполняет эту функцию в биологических системах».
Результаты проведенного исследования были представлены в статье «Супрамолекулярное движение обеспечивает хондрогенную биоактивность циклического пептидного миметика трансформирующего фактора роста-β1», опубликованной в Журнале Американского химического общества.
В настоящее время исследователи тестируют созданные системы на животных, добавляя дополнительные сигналы для создания высокобиоактивного материала, инициирующего регенерацию хрящевой ткани в суставах.
В лаборатории Стаппа также проводятся исследования способности «танцующих молекул» регенерировать кость, и, судя по многообещающим первым экспериментам, результаты нового исследования будут опубликованы уже в конце этого года.
