В новой терапии используются синтетические нановолокна для имитации естественных сигналов белка, критически необходимого для формирования и поддержания хрящевой ткани. Исследователи обнаружили, что усиление подвижности молекул внутри нановолокон приводило к образованию большего количества компонентов, необходимых для регенерации. Спустя всего четыре часа препарат активировал экспрессию генов, необходимую для синтеза хряща. Препарат может использоваться для лечения остеоартрита, которым болеет почти 530 миллионов людей во всём мире.
В ноябре 2021 года исследователи Северо-Западного университета представили новый инъекционный препарат, который управляет быстро движущимися «танцующими молекулами» с целью восстановления тканей и устранения паралича, вызванного тяжёлой травмой спинного мозга.
Исследователи также обнаружили, что при ускорении движения молекул увеличивалась эффективность препарата. Иными словами, «танец» молекул был критически важен для инициирования процесса роста хрящевой ткани.
Исследование было опубликовано 26 июля 2024 года в Журнале американского химического общества.
«Когда мы впервые наблюдали терапевтический эффект танцующих молекул, мы не увидели причин, почему это должно быть применимо только для спинного мозга», — говорит Сэмюэл И. Стапп из Северо-Западного университета, руководивший исследованием. — Теперь мы наблюдаем эффект в двух типах клеток, абсолютно не связанных друг с другом — в хрящевых клетках наших суставов и в нейронах нашего головного и спинного мозга. Это вселяет в меня больше уверенности, что, может быть, мы открыли универсальный феномен. Это может быть применимо ко многим другим тканям».
Эксперт в области восстановительной наномедицины Стапп — профессор попечительского совета факультета материаловедения и проектирования, химии, медицины и биомедицинского инжиниринга Северо-Западного университета, где он является директором-основателем Института бионанотехнологии Симпсона и Кёрри, а также его дочернего центра восстановительной наномедицины. Стапп имеет посты в Школе проектирования Маккормика, Вайнбергского колледжа науки и искусств и Фанбергской школы медицины. Шелби Юань, аспирант лаборатории Стаппа, была первым автором исследования.
Большая задача, мало решений
По состоянию на 2019 года по данным ВОЗ почти 530 миллионов людей по всему миру страдало от остеоартрита. Дегенеративное заболевание, при котором ткани в суставах со временем разрушаются, — остеоартрит, является распространённым заболеванием и одной из главных причин инвалидности.
У пациентов с тяжёлым остеоартритом хрящ может износиться до такой степени, что суставы практически превращаются в кость поверх кости, без прокладки между ними. Это не только невероятно болезненно, связки пациентов больше не могут функционировать должным образом. В таких случаях единственным эффективным лечением будет операция по замене сустава, дорогостоящая и инвазивная процедура.
«На данный момент лечение направлено на замедление прогрессирования заболевания и отсрочку неизбежной замены сустава», — говорит Стапп. — Восстанавливающих вариантов не существует, поскольку у человека нет врождённой способности к восстановлению хряща во взрослом возрасте».
Что такое «танцующие молекулы»?
Стапп и его группа постулировали, что «танцующие молекулы» могут стимулировать регенерацию этой упрямой ткани. Разработанные ранее в лаборатории Стаппа танцующие молекулы — это система, формирующая синтетические нановолокна, включающие от десятков до сотен тысяч молекул с мощным сигналом для клеток. Настроив их совместное движение за счёт химической структуры, Стапп обнаружил, что движущиеся молекулы могут быстро обнаруживать и надлежащим образом взаимодействовать с клеточными рецепторами, также находящимися в постоянном движении и крайне плотно расположенными на клеточной мембране.
Попав внутрь организма, нановолокна имитируют экстрацеллюлярный матрикс окружающей ткани. Обладая структурой, подобной структуре матрикса, имитируя движение биологических молекул и внедряя биоактивные сигналы для рецепторов, синтетические материалы способны общаться с клетками.
«Клеточные рецепторы находятся в постоянном движении», — говорит Стапп. — Заставляя молекулы двигаться, «танцевать» и даже временно выпрыгивать из этих структур, известных как надмолекулярные полимеры, они способны более эффективно соединяться с рецепторами».
Движение важно
В своём новом исследовании Стапп и его коллеги рассмотрели рецепторы на предмет конкретного белка, критически важного для образования и поддержания хряща. Чтобы найти этот рецептор, учёные разработали новый циклический пептид, который копирует биоактивный сигнал белка, именуемого трансформирующим фактором роста бета-1 (TGFb-1).
Затем исследователи внедрили этот пептид в две разные молекулы, формирующие при взаимодействии в воде надмолекулярные полимеры, каждый из которых способен имитировать TGFb-1. Один из разработанных исследователями полимеров обладал специфической структурой, позволяющей его молекулам передвигаться в пределах больших систем с большей степенью свободы. Однако, во втором надмолекулярном полимере движение молекул было ограничено.
«Мы хотели изменить структуру, чтобы сравнить две системы в отношении масштаба их подвижности», — говорит Стапп. — Интенсивность надмолекулярного движения в одной из них намного выше, чем во второй».
Хотя оба полимера имитировали сигнал, активирующий рецептор TGFb-1, полимер с быстро движущимися молекулами был более эффективен. В некоторых отношениях они были даже эффективнее натурального белка, активирующего TGFb-1.
«Спустя три дня клетки человека, контактировавшие с длинными системами более подвижных молекул, вырабатывали повышенные объёмы белковых компонентов, необходимых для регенерации хряща», — говорит Стапп. — При выработке одного из компонентов матрикса под названием коллаген II, танцующие молекулы, содержащие циклопептид, активирующий TGFb-1 рецептор, были даже эффективнее природного белка, обладающего этой функцией в биологических системах».
Что дальше?
В данный момент группа Стаппа тестирует эти системы в исследованиях на животных и добавляет дополнительные сигналы для создания высокобиоактивных лекарств.
«Учитывая успех исследования хрящевых клеток человека, мы предполагаем, что восстановление хрящевых тканей в большой степени возрастёт при использовании в высоко трансляционных доклинических моделях», — говорит Стапп. — Это должно привести к созданию нового биоактивного материала для восстановления хрящевой ткани в суставах».
Лаборатория Стаппа также тестирует способность танцующих молекул восстанавливать кость, и уже получила первые положительные результаты, которые, скорее всего, будут опубликованы позднее в этом году. Одновременно с этим он тестирует молекулы в человеческих органоидах с целью ускорения процесса открытия и оптимизации терапевтических материалов.
Группа Стаппа также продолжает работать с Управлением по контролю за качеством пищевых продуктов, медикаментов и технических средств (Food and Drug Administration), ставя целью получить одобрение на проведение клинических испытаний, чтобы испытать лекарство для восстановления спинного мозга.
«Мы начинаем осознавать невероятное многообразие заболеваний, в отношении которых можно применить это фундаментальное открытие «танцующих молекул», — говорит Стапп. — Похоже, что способность управлять надмолекулярным движением за счёт химического дизайна — мощный инструмент увеличения эффективности для широкого круга регенеративных лекарств».
Автор статьи — Аманда Моррис.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Северо-Западным университетом.
Вам также может быть интересно:
