При обширных переломах или значительной утрате костной ткани организму бывает трудно восстановиться только за счёт естественных механизмов заживления. Для таких случаев разработан биоматериал, который привлекает стволовые клетки к зоне дефекта и помогает формированию новой кости.
В центре внимания — «молочная кислота». Обычно её связывают с мышечной усталостью после нагрузки, однако исследователи подтвердили, что молочная кислота способна выступать сигнальной молекулой и в процессе превращения стволовых клеток в костные клетки.
Медицинский университет CHA и больница Bundang CHA 31-го числа сообщили, что команда профессора Ли Сунчхоля (ортопедия), научного профессора Ким Чонъина и аспирантки Медицинского университета CHA Сипесихле Кассандры Нонджолы разработала скаффолд для регенерации кости, который направляет стволовые клетки к месту повреждения и одновременно стимулирует костеобразование.
Результаты исследования 24 июня сначала опубликовали онлайн в международном научном журнале《Carbohydrate Polymers («Полисахаридные полимеры»)》; затем они выйдут в 388-м томе, который будет издан 15 сентября.
Не только «опора» для кости: скаффолд ещё и привлекает стволовые клетки
Скаффолд (scaffold) — это своего рода «каркас», поддерживающий рост повреждённой ткани. В регенерации кости он обеспечивает пространство, где клетки могут прикрепляться, расти и формировать новую костную ткань.
Однако при значительной утрате кости одного лишь введения конструкции недостаточно: у восстановления есть предел. Необходимо, чтобы стволовые клетки, способные образовывать кость, собрались в зоне повреждения, а также чтобы присутствовали сигналы, которые помогают этим клеткам действительно превращаться в костные.
Исследовательская группа объединила обе функции в одном скаффолде.
Сначала из биосовместимого полимера PCL и целлюлозного материала изготовили волокна, затем химически обработали их так, чтобы на поверхности образовался лактат кальция. Из него высвобождаются кальций и молочная кислота, необходимые для формирования кости.
Кроме того, к материалу присоединили белок «SDF-1», который привлекает стволовые клетки к месту повреждения. SDF-1 — сигнальная молекула, помогающая мезенхимальным стволовым клеткам костного мозга мигрировать в зону повреждения.
В эксперименте SDF-1 сначала выделялся в сравнительно большом количестве, а затем продолжал высвобождаться до 28-го дня. Молочная кислота поступала постепенно, а кальций высвобождался в течение 7 дней. Иными словами, материал сначала «собирает» стволовые клетки в зоне дефекта, а затем поддерживает процесс формирования там новой кости.
После обработки молочной кислотой усилились сигналы, связанные с дифференцировкой в костные клетки
Команда также изучила, какие изменения молочная кислота вызывает внутри стволовых клеток.
После обработки мезенхимальных стволовых клеток костного мозга человека молочной кислотой увеличилась экспрессия рецептора под названием «OR5AN1». Одновременно усилились кальциевые сигналы, поступающие внутрь клетки, и маркеры, связанные с дифференцировкой в костные клетки.
OR5AN1 относится к семейству обонятельных рецепторов. Обонятельные рецепторы хорошо известны ролью в распознавании запахов в носу, однако часть из них присутствует и в других тканях и выполняет функцию передачи сигналов клеткам.
Это не первое исследование, указывающее на то, что молочная кислота помогает регенерации кости. В предыдущих экспериментах на животных также высказывалось предположение, что молочная кислота через обонятельные рецепторы может стимулировать остеогенную дифференцировку стволовых клеток и формирование кости.
В нынешней работе исследователи подтвердили, что при обработке стволовых клеток костного мозга человека молочной кислотой одновременно увеличиваются экспрессия OR5AN1, кальциевые сигналы и показатели, связанные с остеогенной дифференцировкой. Затем этот принцип применили в скаффолде для регенерации кости, объединив белок, привлекающий стволовые клетки, и лактат кальция.
Применили при дефекте бедренной кости у мышей: новой кости образовалось больше
После клеточных экспериментов команда испытала новый скаффолд и на животной модели: у мышей частично повредили бедренную кость.
В группе, где использовали скаффолд с одновременным применением лактата кальция и SDF-1, новой кости образовалось больше, чем в контрольной группе. Гистологическое исследование и иммунное окрашивание также показали более активное формирование костного матрикса и созревание ткани.
При этом речь пока не идёт о методе лечения, который можно применять у пациентов. В рамках исследования на данном этапе проверили эффективность и механизм действия в клеточных экспериментах со стволовыми клетками человека и на модели дефекта бедренной кости у мышей. Чтобы использовать разработку для регенерации кости при реальных переломах, крупных костных дефектах или после операций по эндопротезированию, необходимы дополнительные исследования безопасности и эффективности на людях.
Профессор ортопедии больницы Bundang CHA Ли Сунчхоль заявил: «Важно то, что нам удалось реализовать биоматериал, который не просто поддерживает кость, а собирает стволовые клетки в зоне повреждения и направляет их к самостоятельному формированию кости». Он добавил: «В дальнейшем ожидаем, что разработку можно будет применять в различных ортопедических методах лечения — при переломах и костных дефектах, а также для регенерации кости после операций по эндопротезированию».
Исследование также представили в рубрике «Люди, прославившие Корею (Hanbitsa)» на платформе Biological Research Information Center (BRIC).
