Простой полимер повысил эффективность восстановления кости в сотни раз

Британским и американским ученым удалось значительно улучшить восстановление костей под действием факторов роста с помощью простого синтетического полимера. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.

Ростовые факторы, такие как костный морфогенетический белок 2 типа (BMP-2), в течение нескольких лет применяются хирургами для ускорения срастания костей после травм или операций. Для этого в место костного дефекта помещают коллагеновую губку, содержащую в одном миллилитре объема 1,5 миллиграмма рекомбинантного ВМР-2. Меньшие дозы малоэффективны, поскольку белок плохо связывается с «неподготовленным» глобулярным фибронектином (одним из ключевых компонентов внеклеточного матрикса, который под действием факторов роста связывается с интегринами на поверхности клеток и обеспечивает структурную целостность ткани). Однако в столь высокой дозировке ВМР-2 часто приводит к развитию серьезных неврологических, дыхательных и воспалительных побочных эффектов, что ограничивает их применение.

Сотрудники Университета Глазго и Технологического института Джорджии в ходе предыдущих работ показали, что in vitro на поверхности, покрытой полиэтилакрилатом (РЕА) фибронектин самособирается в фибриллярную форму. Такая форма оптимальна для взаимодействия с ростовыми факторами и интегринами в процессе восстановления костной ткани, поскольку открывает участки связывания фибронектина с ними. При этом самосборка происходит приблизительно за минуту при концентрации РЕА менее 10 микрограммов на миллилитр. Как именно она происходит на химическом уровне, в работе не указано.

В ходе описываемого эксперимента ученые абсорбировали BMP-2 в концентрации 25 нанограммов на миллилитр на покрытой фибронектином поверхности из РЕА. Они убедились, что в подобных условиях ростовый фактор хорошо связывается с активными участками фибронектина. При помещении на такую поверхность человеческие мезенхимальные стволовые клетки быстрее дифференцировались в остеобласты (клетки, продуцирующие костную ткань) и вырабатывали больше сигнальных молекул, чем в отсутствие BMP-2 или при его действии в растворимой форме, не связанной с фибронектином.

На следующей стадии работы ученые восстанавливали незаживающие дефекты кости у мышей с помощью цилиндрических полимерных вкладок, покрытых РЕА и фибронектином с BMP-2 или без него. Выяснилось, что лишь в присутствии предварительно абсорбированного на фибронектине фактора роста костный дефект закрылся за восемь недель. При этом образовавшаяся костная ткань имела правильную микроскопическую структуру и костный мозг, а в отсутствие BMP-2, скорее, напоминала рубец. Таких же результатов удалось добиться с помощью полиэтиленгликолевого гидрогеля с BMP-2, который содержал более чем 100-кратную концентрацию этого фактора роста. Применение РЕА позволило снизить дозу BMP-2 в 300 раз по сравнению с той, что применяется современными хирургами.

«Разработанная методика дает возможность применять факторы роста более эффективно и по доступной цене. Покрывая такие материалы как протезы шейки бедра, костные фрагменты для пересадки и позвоночные металлоконструкции тонким слоем полимера, мы можем вызывать прицельное восстановление костной ткани там, где оно необходимо», — пояснил один из авторов работы Мануэль Салмерон-Санчес (Manuel Salmeron-Sanchez). Он добавил, что ожидает начала клинических испытаний метода в течение следующих пяти лет.

Ростовые факторы — это биологически активные молекулы (как правило, белки или стероиды), которые вызывают дифференцировку и пролиферацию клеток в процессах роста и восстановления тканей. В течение последних десятилетий они все шире применяются в клинической практике. Показания к их применению включают нарушения кроветворения, лейкозы, пересадку костного мозга, состояния после травм и операций, а также сердечно-сосудистые заболевания. Повышение эффективности факторов роста и уменьшение их побочных эффектов могут в будущем значительно расширить этот список.

Полиэтилакрилат — распространенный полимер, который применяется для изготовления искусственных тканей, покрытий, красок и клеев.

Олег Лищук