Группа ученых объединила генную терапию, стволовые клетки и ультразвук, чтобы помочь срастить сломанные кости. Новый метод должен будет помочь в тяжелых случаях несращения переломов, когда часть кости отсутствует или же сильно повреждена. Пока успех достигнут в эксперименте на свиньях, но авторы работы надеются, что их метод поможет и людям.
Обычно при несрастании переломов врачи используют костный трансплантат, когда у самого пациента берут фрагмент костной ткани, чаще всего – из тазовых костей. Но процедура взятия фрагмента сложна, болезненна для пациента и увеличивает общее время восстановления. Если же костный фрагмент берется у умершего человека, то перед имплантацией он стерилизуется, лишаясь белков и других сигнальных молекул, что затрудняет восстановление кости.
Ученые давно хотели научиться выращивать новую кость без использования трансплантата. Они заполняли пустоты в костной ткани коллагеном, который привлекает мезенхимальные стволовые клетки, способные дать начало остеоцитам – клеткам костной ткани. Но мезенхимальные стволовые клетки могут превращаться не только в остеоциты, но и в клетки жировой или соединительной ткани. В течение нескольких лет исследователи пытались управлять превращениями мезенхимальных стволовых клеток при помощи костных морфогенетических белков (BMP) – сигнальных молекул, которые в организме отвечают за образование костной ткани. Задача затруднялась тем, что, чтобы клеточное дифференцирование произошло, мезенхимальные стволовые клетки должны подвергаться действию этих белков не менее недели, а при введении в место перелома белки рассеиваются всего за несколько часов.
Тогда ученые во главе с Дэном Газитом (Dan Gazit), специалистом по регенеративной медицине из Медицинского центра Сидарс-Синай (Cedars-Sinai) в Лос-Анджелесе, попытались решить эту проблему, вставив дополнительные копии генов, ответственных за синтез костных морфогенетических белков, в геном самих стволовых клеток. Для доставки в клетки нужного гена использовались специальным образом модифицированные вирусы. Но добиться достаточной эффективности не удавалось. Теперь они применили новый способ доставки генов, не требующий применения вирусов.
На место перелома вводят коллаген и ждут пару недель, пока ткань не заселят мезенхимальные стволовые клетки. Затем они создают раствор, содержащий многочисленные фрагменты молекулы ДНК с копией интересующего их гена в наполненных газом пузырьках, заключенных в тонкую липидную оболочку. После введения этого раствора в место перелома, они направляют на данную область ультразвук. Ультразвуковые импульсы взрывают микропузырьки, пробивая наноразмерные отверстия в соседних стволовых клетках, что позволяет генам проникать внутрь клетки.
В 2014 году Дэн Газит и его коллеги опробовали эту методику сначала на нетерапевтических репортерных генах в экспериментах на животных. Потом они перешли к генам двух костных морфогенетических белков: BMP-2 и BMP-7. В результате рост костной ткани усилился, но недостаточно, чтобы эффективно залечивать переломы.
Успех ожидал ученых в экспериментах с белком BMP-6. Используя ту же процедуру, они направляли кодирующий этот белок ген в мезенхимальные стволовые клетки подопытных свиней, у которых хирургическим путем был удален участок кости длиной один сантиметр.
Спустя восемь недель промежутки в костях свиней были заполнены костной тканью и следы перелома полностью залечены. Использование стволовых клеток в сочетании с генной терапией оказалось не менее эффективным средством лечения, чем пересадка фрагмента собственной костной ткани животного.
Руководитель Центра пластической и реконструктивной хирургии в Медицинском центре Сидар-Синай Дэвид Кулбер (David Kulber), который сам не принимал участие в этом исследовании, называет результаты эксперимента имеющими огромное клиническое значение и считает, что данная технология стимуляции роста кости действительно замечательна. Ученый-ортопед из Техасского университета Джонни Хуард (Johnny Huard) тоже считает, что полученные Дэном Газитом и его коллегами результаты – это именно то, что нужно для прогресса в данной области. Но он также отмечает, что все подопытные животные в эксперименте были младше года. У молодых животных больше мезенхимальных стволовых клеток, чем у старых, но серьезные переломы гораздо чаще встречаются у пожилых пациентов. Поэтому Джонни Хуард предлагает еще до начала клинических испытаний нового метода на людях провести ряд экспериментах со взрослыми подопытными животными, чтобы убедиться в его эффективности.
Итоги исследования опубликованы в журнале Science Translational Medicine.
