«Танцующие молекулы» лечат повреждения хрящей

Фото из открытых источников

В ноябре 2021 года исследователи Северо-Западного университета представили новую инъекционную терапию, которая использует быстро движущиеся «танцующие молекулы» для восстановления тканей и устранения паралича после  тяжелых травм спинного мозга.

Теперь та же исследовательская группа применила терапевтическую стратегию к поврежденным клеткам человеческого хряща. В новом исследовании лечение активировало экспрессию генов, необходимую для регенерации хряща, всего за четыре часа. И всего через три дня человеческие клетки вырабатывали белковые компоненты, необходимые для регенерации хряща.

Исследователи также обнаружили, что по мере увеличения молекулярного движения эффективность лечения также увеличивалась. Другими словами, «танцевальные» движения молекул имели решающее значение для запуска процесса роста хряща. Исследование  было опубликовано в  Journal of the American Chemical Society.

«Когда мы впервые наблюдали терапевтические эффекты танцующих молекул, мы не видели никаких причин, по которым это должно применяться только к спинному мозгу», — сказал  Сэмюэл И. Стапп из Северо-Западного университета, который руководил исследованием. «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».

По данным Всемирной организации здравоохранения, по состоянию на 2019 год  около 530 миллионов человек по всему миру  страдали остеоартритом. Дегенеративное заболевание, при котором ткани суставов со временем разрушаются, остеоартрит является распространенной проблемой со здоровьем и основной причиной инвалидности.

У пациентов с тяжелым остеоартритом хрящ может изнашиваться настолько тонко, что суставы по сути превращаются в кость на кости — без подушки между ними. Это не только невероятно болезненно, но и суставы пациентов больше не могут нормально функционировать. В этот момент единственным эффективным лечением является операция по замене сустава, которая является дорогостоящей и инвазивной.

«Современные методы лечения направлены на замедление прогрессирования заболевания или отсрочку неизбежной замены сустава», — сказал Стапп. «Регенеративных вариантов не существует, поскольку у людей нет врожденной способности к регенерации хряща во взрослом возрасте». 

Стапп и его команда предположили, что «танцующие молекулы» могут стимулировать упрямую ткань к регенерации. Ранее изобретенные в лаборатории Стаппа, танцующие молекулы представляют собой сборки, которые формируют синтетические нановолокна, состоящие из десятков или сотен тысяч молекул с мощными сигналами для клеток. Настраивая их коллективные движения через их химическую структуру, Стапп обнаружил, что движущиеся молекулы могут быстро находить и правильно взаимодействовать с клеточными рецепторами, которые также находятся в постоянном движении и чрезвычайно переполнены на клеточных мембранах.

Попав внутрь организма, нановолокна имитируют внеклеточный матрикс окружающей ткани. Соответствуя структуре матрикса, имитируя движение биологических молекул и включая биоактивные сигналы для рецепторов, синтетические материалы способны общаться с клетками.

«Клеточные рецепторы постоянно перемещаются», — сказал Стапп. «Заставляя наши молекулы двигаться, «танцевать» или даже временно выпрыгивать из этих структур, известных как супрамолекулярные полимеры, они способны более эффективно связываться с рецепторами».

В новом исследовании Стапп и его команда обратились к рецепторам для поиска специфического белка, критически важного для формирования и поддержания хряща. Чтобы воздействовать на этот рецептор, команда разработала новый кольцевой пептид, который имитирует биоактивный сигнал белка, который называется трансформирующий фактор роста бета-1 (TGFb-1).

Затем исследователи включили этот пептид в две разные молекулы, которые взаимодействуют, образуя супрамолекулярные полимеры в воде, каждый из которых обладает одинаковой способностью имитировать TGFb-1. Исследователи разработали один супрамолекулярный полимер со специальной структурой, которая позволяла его молекулам двигаться более свободно внутри больших сборок. Однако другой супрамолекулярный полимер ограничивал молекулярное движение.

«Мы хотели изменить структуру, чтобы сравнить две системы, различающиеся по степени своего движения», — сказал Стапп. «Интенсивность супрамолекулярного движения в одной из них намного больше, чем движение в другой».

Хотя оба полимера имитировали сигнал для активации рецептора TGFb-1, полимер с быстро движущимися молекулами был намного эффективнее. В некотором смысле они были даже эффективнее белка, активирующего рецептор TGFb-1 в природе.

«Через три дня человеческие клетки, подвергшиеся воздействию длительных сборок более подвижных молекул, выработали большее количество белковых компонентов, необходимых для регенерации хряща», — сказал 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».

В настоящее время команда Стаппа тестирует эти системы в исследованиях на животных и добавляет дополнительные сигналы для создания высокобиоактивных методов лечения.

«С успехом исследования на клетках хряща человека мы прогнозируем, что регенерация хряща будет значительно улучшена при использовании в высокотрансляционных доклинических моделях», — сказал Стапп. «Это должно развиться в новый биоактивный материал для регенерации хрящевой ткани в суставах».

Лаборатория Стаппа также тестирует способность танцующих молекул регенерировать кость — и уже имеет многообещающие ранние результаты, которые, вероятно, будут опубликованы в конце этого года. Одновременно он тестирует молекулы в человеческих органоидах, чтобы ускорить процесс открытия и оптимизации терапевтических материалов.  

Команда Стаппа также продолжает направлять свои доводы в Управление по контролю за продуктами и лекарствами, стремясь получить одобрение на клинические испытания для проверки терапии по восстановлению спинного мозга.

«Мы начинаем видеть огромный спектр условий, к которым может применяться это фундаментальное открытие «танцующих молекул», — сказал Стапп. — Управление надмолекулярным движением посредством химического дизайна, по-видимому, является мощным инструментом для повышения эффективности ряда регенеративных методов лечения».