Многообещающая стратегия повышения функциональности поврежденных мышц
Мускулатура является самой большой системой органов, на которую приходится 40% массы тела, и которая играет существенную роль в поддержании нашей жизни. Мышечная ткань примечательна своей уникальной способностью к самопроизвольной регенерации. Однако при серьезных травмах, таких как при автомобильной аварии или резекции опухоли, приводящих к потере объемной мышечной массы (VML), способность мышц к восстановлению значительно снижается.
В настоящее время лечение потери мышечной массы включает в себя хирургические вмешательства с аутологичными мышечными клапанами или трансплантатами, сопровождаемые физической терапией. Однако хирургические процедуры часто приводят к снижению мышечной функциональности, а в некоторых случаях приводят к полному отказу трансплантата. Таким образом, есть потребность в дополнительных терапевтических возможностях для улучшения восстановления мышечной массы. Существует многообещающая стратегия повышения функциональной способности поврежденной мышцы – заново стимулировать регенерацию скелетной мышцы путем интеграции пересаженных клеток.
Различные типы клеток, в том числе сателлитные мышечные клетки (мышечные стволовые клетки), миобласты и мезенхимальные стволовые клетки, были использованы для лечения потери мышечной массы. Однако биопсия мышц, низкая доступность клеток и ограничения долгосрочного поддержания препятствуют клинической трансплантации, при том, что для обеспечения терапевтического эффекта могут понадобиться от миллионов до миллиардов зрелых клеток. Еще одним важным вопросом является контроль трехмерного микроокружения в месте повреждения для обеспечения того, чтобы трансплантированные клетки были правильно распределены в мышечных тканях с нужными структурами. Для повышения выживаемости и созревания пересаженных клеток при нахождении клеток-хозяев для регенерации мышц используются различные природные и синтетические биоматериалы.
Однако в развитии тканевых каркасов существуют неразрешенные давние дилеммы. Естественные каркасы демонстрируют высокий уровень распознавания клеток и сходства связанных клеток, но часто не могут обеспечить механическую прочность при значительных повреждениях и устойчивость тканей нагрузкам, при которых требуется долговременная механическая поддержка. В отличие от них, синтетические каркасы представляют собой точно спроектированную альтернативу с настраиваемыми механическими и физическими свойствами, а также со специальными структурами и биохимическим составом, но зачастую имеют проблему в виде недостаточного набора клеток и плохой интеграции с тканями хозяина. Для преодоления этих проблем исследовательская группа Центра наномедицины при Институте фундаментальных наук (IBS) в Сеуле (Южная Корея), Йонсейском университете и Массачусетском технологическом институте (MIT) разработала новый протокол искусственной регенерации мышц.
Команда добилась эффективного лечения потери мышечной массы у мышей, используя технологию прямого перепрограммирования клеток в комбинации с натурально-синтетическим гибридным каркасом.
Прямое клеточное перепрограммирование, также называемое прямым преобразованием, является действенной стратегией, обеспечивающей эффективную клеточную терапию, поскольку позволяет быстро генерировать специфические для пациента клетки с использованием аутологичных клеток из биопсии тканей.
Фибробласты – это клетки, которые обычно находятся в соединительных тканях, и они активно участвуют в заживлении ран. Поскольку фибробласты не являются окончательно дифференцированными клетками, их можно превратить в индуцированные мультипотентные прогениторные клетки (iMPCs), используя несколько различных транскрипционных факторов. В данном случае, эта стратегия была применена для обеспечения iMPC для инженерии мышечной ткани.
Для обеспечения структурной поддержки пролиферирующих мышечных клеток был выбран поликапролактон (PCL) в качестве материала для изготовления пористого каркаса из-за его высокой биосовместимости. Хотя выщелачивание является широко используемым методом создания пористых материалов, оно в основном ограничивается созданием закрытых пористых структур. Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи дополнили обычный метод выщелачивания термическим вытягиванием, чтобы произвести специализированный PCL волоконный каркас. Эта технология облегчила высокопроизводительное производство пористых волокон с контролируемой жесткостью, пористостью и размерами, что позволяют точно подогнать каркас под места травм.
Однако каркасы из синтетического PCL волокна сами по себе не обеспечивают оптимальных биохимических и локальных механических признаков, имитирующих мышечную специфическую микросреду. Поэтому создание гибридных каркасов было завершено путем встраивания гидрогеля с обесклеченным мышечным внеклеточным матриксом (MEM) в PCL структуру. В настоящее время MEM является одним из наиболее широко используемых натуральных биоматериалов для лечения объемной потери мышечной массы в клинической практике. Таким образом, исследователи полагают, что гибридные каркасы, разработанные с помощью MEM, имеют огромный потенциал при клиническом применении. Получившиеся биоинженерные конструкции мышечных волокон показали механическую жесткость, схожую с жесткостью мышечных тканей, и продемонстрировали повышенную мышечную дифференциацию и более длинное выстраивание мышц в лабораторных условиях. Кроме того, имплантация биоинженерных мышечных конструкций в модель потери мышечной массы у мыши не только способствовала регенерации мышц с повышенной иннервацией и ангиогенезом, но и способствовала функциональному восстановлению поврежденных мышц.
Исследовательская команда отмечает: “Гибридная мышечная конструкция могла бы управлять реакцией добавленных извне перепрограммированных мышечных клеток и накапливающихся в популяции клеток хозяина для усиления функциональной регенерации мышц с помощью организации дифференцирования, паракринного эффекта и конструктивной ремоделяции тканей”.
“Дальнейшие исследования необходимы для выяснения механизмов мышечной регенерации с помощью наших гибридных конструкций, а также для перехода к клиническому применению к развитию платформ для доставки клеток”, – заявляет Чо Сын У, профессор, Институт фундаментальных наук, Центр наномедицины, Колледж наук о жизни и биотехнологий Университета Йонсей.