Биоинженерный суставной хрящ синтезировал для себя лекарство в ответ на нагрузку
Американские исследователи создали биоинженерный суставной хрящ на основе свиных клеток, который вырабатывает противовоспалительный препарат в ответ на механическую нагрузку. В перспективе эта технология может помочь в лечении остеоартрита. Отчет о разработке опубликован в журнале Science Advances.
Остеоартрит — самое частое поражение суставов, им страдает каждый 30-й житель Земли, причем заболеваемость резко возрастает в пожилом возрасте. Оно возникает из-за постепенного изнашивания суставных хрящей, которое сопровождается воспалительными реакциями и приводит к разрушению хряща и подлежащего участка кости. Это связано с тем, что после окончательного формирования скелета в возрасте 20–30 лет клетки хряща (хондроциты) практически перестают делиться и восстанавливать хрящевую ткань.
Тем не менее эти клетки сохраняют критичную в период роста организма способность реагировать на нагрузку, за что отвечает ряд механорецепторов — TRPV4, PIEZO1, PIEZO2, интегрины и первичные реснички. Подобную способность используют для создания механотерапевтических биоинженерных конструкций. До сих пор такие технологии подразумевали экзогенное введение пептидных препаратов, ультразвуковую стимуляцию или имплантацию синтетических полимеров (микрокапсул, гидрогелей), которые не обеспечивают долгосрочного поддержания концентрации лекарства и ее контроля путем биологической обратной связи.
Чтобы устранить эти недостатки, сотрудники Университетов Вашингтона в Сент-Луисе и Дьюка в Дареме под руководством Фаршида Гуйлака (Farshid Guilak) решили создать искусственную хрящевую ткань, которая будет «самоизлечиваться» в ответ на механическую нагрузку.
В ходе предварительных экспериментов исследователи изолировали свиные хондроциты и инкубировали их в искусственном каркасе из агарозного гидрогеля, получив искусственный хрящ. Такой тканевой конструкт реагировал на механическую нагрузку 108-процентным увеличением активации кальцийзависимых внутриклеточных сигнальных путей. Введение в питательную среду низкомолекулярного ингибитора ваниллоидного катионного канала транзиторного рецепторного потенциала 4 типа (рецептора TRPV4) GSK205 снижало подобную реакцию на 47 процентов. Это показало, что клеточный ответ на механическую нагрузку в первую очередь зависит именно от этого типа рецепторов.
Изучая реакцию одиночных хондроцитов на осмотический стресс (действием разных питательных сред) и механическое растяжение мембраны (путем втягивания в микропипетку), исследователи убедились, что опосредованная TRPV4 реакция наблюдается лишь при первом воздействии. То есть для получения ответа необходимо прилагать механическое усилие к целому образцу хрящевой ткани с осмотически активным матриксом, но не к отдельным клеткам.
Затем внутриклеточную молекулярную реакцию на активацию TRPV4 проанализировали с помощью приложения Ingenuity Pathway Analysis и убедились, что она включает ряд анаболических и воспалительных сигнальных путей. Из них наиболее перспективными для создания терапевтических трансгенов оказались контуры активации ядерного фактора NF-κB и экспрессии простагландин-эндопероксидсинтазы 2 (PTGS2), что было подтверждено количественной полимеразной цепной реакцией.
Используя регулирующие NF-κB и PTGS2 генетические элементы, исследователи создали трансгены, экспрессирующие в ответ на активацию TRPV4 противовоспалительный препарат анакинру — белковый антагонист рецепторов к интерлейкину-1. Это лекарственное средство, вводимое внутривенно, хорошо зарекомендовало себя в терапии ревматоидного артрита и оказалось эффективным в преклинических моделях остеоартрита. Тем не менее его клинические испытания при этом заболевании не принесли желаемых результатов, что может свидетельствовать о необходимости длительного контролируемого введения препарата непосредственно в хрящевую ткань.
Полученные терапевтические трансгены с помощью лентивирусного вектора ввели в свиные хондроциты и использовали эти клетки для создания биоинженерного хряща. В эксперименте такой конструкт с активированными механорецепторами TRPV4 эффективно продуцировал анакинру и не разрушался при обработке интерлейкином-1 в течение 72 часов. Натуральный хрящ при таком же воздействии терял 45,6 процента сульфатированных гликозаминогликанов (основного компонента матрикса, обеспечивающего целостность хряща и его устойчивость к «изнашиванию»), и, соответственно, частично разрушался.
«Мы можем создавать клетки, которые автоматически производят анальгетики, противовоспалительные препараты и факторы роста для регенерации хряща. По нашему мнению, такая стратегия может стать основой для программирования клеток, оказывающих терапевтическое воздействие при разнообразных медицинских проблемах», — заключил Гуйлак.
Множество научных коллективов мира работает над созданием и совершенствованием биоинженерных органов и тканей. Для этого используют самые разные подходы — от 3D-печати до использования машины для производства сладкой ваты. Отдельного упоминания заслуживает выращивание сложно устроенной кишечной ткани, имеющей нервную систему и способной к самостоятельной перистальтике. Подробнее о технологиях создания искусственных органов можно почитать в нашем материале «Скамейка запасных».
Это первый случай заражения людей этим паразитом
Австралийские врачи обнаружили в мозге жительницы Нового Южного Уэльса личинку паразитического червя Ophidascaris robertsi, взрослые особи которого живут в пищеводе и желудке ковровых питонов. До этого пациентку больше года лечили от эозинофильной пневмонии — однако установить ее причину удалось только когда, женщина начала жаловаться на забывчивость и усиление депрессии, после чего медики сделали томографию мозга и биопсию. Как отмечается в статье для журнала Emerging Infectious Diseases, это первый известный случай заражения человека O. robertsi. Скорее всего, женщина проглотила яйца паразита вместе с листьями съедобных растений, которые собирала на озере около дома. Дикие и домашние животные часто передают людям паразитов и возбудителей инфекций. Такие случаи, как правило, не удивляют врачей и хорошо поддаются лечению. Тем не менее, порой люди заражаются от животных по-настоящему экзотическими болезнями. Например, недавно мы рассказывали о том, как игуана укусила трехлетнюю девочку за руку и инфицировала ее нетуберкулезной микобактерией Mycobacterium marinum. А британские медики выявили у мужчины, которого покусал бродячий кот, совершенно новый вид патогенных бактерий из рода Globicatella. Похожий пример описала команда врачей, которую возглавил Санджайа Сенанаяке (Sanjaya N. Senanayake) из Службы здравоохранения Канберры. В центре внимания специалистов оказалась 64-летняя жительница Нового Южного Уэльса, которая в январе 2021 года попала в больницу местного уровня с жалобами на боли в животе, диарею, сухой кашель и ночную потливость. Эти симптомы длились на протяжении трех недель. Компьютерная томография выявила поражение легких по типу матового стекла и повреждение печени и селезенки, а концентрация эозинофилов в жидкости, полученной при бронхоскопии, составила около 30 процентов. При этом никаких признаков злокачественных новообразований, инфекций, паразитов и аутоиммунных заболеваний выявить не удалось. В результате женщине диагностировали эозинофильную пневмонию неясной этиологии и прописали преднизолон, благодаря которому ее состояние частично улучшилось. Однако спустя три недели пациентку доставили в больницу в Канберре с рецидивом лихорадки и постоянным кашлем на фоне приема преднизолона. Здесь ее осмотрели Сенанаяке и его коллеги. Повторная компьютерная томография подтвердила, что у женщины поражены легкие, печень и селезенка, но выявить причину ее состояния не удавалось. Судя по результатам анализов, она не была заражена патогенными бактериями или грибками, в ее крови не было антител к паразитическим плоским червям шистосоме, эхинококку и двуусткам, а в фекалиях отсутствовали их яйца. Поскольку в молодости пациентка путешествовала по Южной Африке, Азии и Европе, медики предположили, что она может быть заражена кишечными угрицами (Strongyloides), и в дополнение к преднизолону и микофеноловой кислоте прописали ей ивермектин в течение двух дней подряд и повторную дозу через две недели. К середине 2021 года состояние легких и печени у пациентки, судя по результатам компьютерной томографии, улучшилось, хотя поражение селезенки сохранилось. В январе 2022 года врачи назначили ей меполизумаб, благодаря чему концентрация эозинофилов в крови пришла в норму, что позволило уменьшить дозу преднизолона без усиления респираторных синдромов. Однако затем в течение трех месяцев на фоне приема меполизумаба, микофеноловой кислоты и преднизолона женщина начала жаловаться на усиление депрессии (от которой она страдала и прежде) и забывчивость. Чтобы понять причину этих новых симптомов, Сенанаяка и его коллеги провели пациентке магнитно-резонансную томографию головного мозга, которая выявила поражение правой лобной доли размером тринадцать на десять миллиметров. В июне 2022 года врачи провели биопсию, в результате которой заметили и удалили из очага поражения струнообразную структуру. При ближайшем рассмотрении оказалось, что это живой и подвижный гельминт длиной 80 миллиметров. Осмотрев паразита, исследователи по его красной расцветке и строению ротового аппарата, кишечника и репродуктивной системы пришли к выводу, что перед ними личинка круглого червя Ophidascaris robertsi третьего возраста. Генетический анализ подтвердил гипотезу. Основным хозяином O. robertsi считается ковровый питон (Morelia spilota) — крупная змея, широко распространенная в Австралии и на близлежащих островах. Взрослые паразиты обитают в пищеводе и желудке питонов, а их яйца выходят наружу с фекалиями. После этого они попадают в организм промежуточных хозяев — мелких млекопитающих. А когда тех съедают питоны, жизненный цикл паразита замыкается. По словам Сенанаяки и его коллег, их пациентка стала первым человеком, у которого диагностировали заражение O. robertsi. Более того, в человеческом организме никогда не находили и других представителей рода Ophidascaris (кроме того, этих червей никогда не находили в мозге животных). Вероятно, женщина получила змеиных паразитов от ковровых питонов, которые жили в озере рядом с ее домом. Непосредственно со змеями она не контактировала, однако собирала на берегах водоема новозеландский шпинат (Tetragonia tetragonoides), на листьях которого могли остаться яйца O. robertsi. Судя по всему, женщина проглотила яйца паразита, когда готовила или ела листья шпината, в результате чего и произошло заражение. После операции пациентке назначили курс ивермектина и альбендазола, чтобы уничтожить паразитов, которые потенциально могли находиться в других органах (а также курс дексаметазона для борьбы с воспалением). Через шесть месяцев уровень эозинофилов у нее оставался в норме, а проблемы с забывчивостью и депрессией частично разрешились (хотя и не исчезли полностью). По мнению авторов, большая часть проблем со здоровьем у пациентки объяснялась перемещениями личинок во внутренние органы, при этом препараты по подавлению иммунитета, которые она получала в начале лечения, позволили по крайней мере одному из паразитов проникнуть в мозг. А вот поражение селезенки, которое сохранилось даже после лечения, скорее всего, следует считать отдельной патологией. Ранее мы рассказывали о том, как паразиты способствовали горизонтальному переносу генов между змеями и лягушками. В результате длинный ретротранспозон Bovine-B переходил от змей к лягушкам как минимум 54 раза в период между 85 и 1,3 миллионами лет назад.
