Лучшее понимание заболевания хрупких костей с помощью 3D-модели с биоразлагаемой гидрогелевой матрицей.

Важные новости

Для лучшего понимания болезни хрупкой кости с помощью 3D-модели с биоразлагаемой гидрогелевой матрицей

Пациенты с несовершенным остеогенезом (НО) имеют хрупкие, а в некоторых случаях деформированные кости (рентгеновское изображение). Фото: Шаката Га Най/Wikimedia, Creative Commons BY-SA 2.5, отредактировано с помощью AI

Жизнь человека, страдающего хрупкими костями, полна осложнений. Малейшая ошибка, казалось бы, безобидное падение или даже одно неверное движение — все, что нужно, чтобы оставить их со сломанной рукой или ногой. И есть вероятность, что это произойдет неоднократно, потому что они родились с унаследованным генетическим дефектом, который делает их кости чрезвычайно хрупкими и часто связан с физическими уродствами. Среди известных людей, страдающих болезнью хрупких костей, — немецкий писатель и актер Петер Радтке и французский джазовый пианист Мишель Петруччиани.

В большинстве случаев причиной хрупкости костей у человека является мутация в гене, который несет в себе программу развития хрупкости костей. белок коллаген I типа. Это, безусловно, самый важный белок для создания твердого костного матрикса.

Люди с этим заболеванием имеют генетический дефект, который препятствует правильному складыванию этого белка коллагена, в результате чего у них нестабильный костный матрикс и хрупкие кости. Правильное название болезни хрупкой кости — несовершенный остеогенез, или сокращенно ОИ.

Пористая структура матрикса

До сих пор ученые имели лишь элементарное представление о том, как мутации в белке коллагена нарушают формирование костного матрикса, а также о том, как лечить эти пороки развития. Но теперь группа исследователей из Института биомеханики ETH Zurich сделала важный шаг к ответу на эти вопросы.

Руководителем группы является Сяо-Хуа Цинь, профессор инженерии биоматериалов, в сотрудничестве с коллегой-профессором ETH. Ральф Мюллер. Вместе они разработали 3D-модель in vitro, которая позволяет им более детально исследовать формирование костей – в настоящее время используя здоровые клетки, а в будущем также используя клетки людей, страдающих ОИ.

Исследователи сообщают о своем прогрессе в журнале Nature Communications.

Эта новая модель кости основана на пористой матрице или структуре, изготовленной из синтетического полимера. В этой матрице, состоящей из мягкого гидрогеля, клетки (остеобласты), образующие кость, могут располагаться, размножаться и соединяться друг с другом и своими ответвлениями, образуя трехмерную сеть.

В ходе разработки исследователи установили, что идеальный размер пор составляет от 5 до 20 микрометров: достаточно широкий, чтобы позволить клеткам оседать и размножаться, и в то же время достаточно узкий, чтобы предотвратить их выход.

При создании гидрогеля Исследователи взяли за основу модели нервных клеток in vitro. «Пористые гидрогели обеспечивают нейронам чрезвычайно благоприятную среду для формирования искусственных сетей», — говорит Цинь.

Однако вскоре стало ясно, что клетки-предшественники кости «реагируют совершенно по-другому» в одном отношении: хотя им также требуется пористая матрица, эта матрица должна быть биоразлагаемой. Поэтому исследователи снабдили свой гидрогель так называемым пептидным сшивателем, который может расщепляться ферментом матриксной металлопротеиназы (ММП). Это, в свою очередь, позволяет клеткам производить более зрелые коллагеновые волокна. ММП необходимы для многих процессов в организме, одним из которых является формирование костей.

Однако, чтобы гарантировать, что костные клетки смогут правильно расти и объединяться в сети, исследователям пришлось сначала решить еще одну проблему.

<р>«Изучение развития костей, а также ремоделирования костей, включает в себя механическую стимуляцию клеток», — говорит Дорис Заухнер, докторант из группы Циня и ведущий автор исследовательской работы. Исследователи поместили гидрогель со встроенными клетками на чип и пропустили жидкость через поры.

«Эта жидкость подвергает клетки воздействию сил сдвига», — говорит Заухнер, — что важно для клеточного функционирования. Также было доказано, что жидкость, содержащая питательные вещества и химические вещества, механически стимулирует клетки в порах здоровых костей.

Лучшее понимание хрупкое заболевание костей с 3D-моделью с биоразлагаемой гидрогелевой матрицей» /></p>
<p> Гидрогель имеет оптимальный размер пор, благодаря чему костеобразующие клетки могут соединяться между собой и образовывать трехмерную сеть. Фото: Zauchner D et al., <i>Nature Communications</i> 2024 г. </p>
<p><b>Модель очень напоминает нормальное формирование костей</b></p>
<p>Как описывают исследователи в своей статье, их модель кости с биоразлагаемой гидрогелевой матрицей и механической стимуляцией может успешно имитировать развитие кости. Остеобласты размножаются и, в некоторых случаях, даже развиваются в незрелые остеоциты (которые составляют 90% клеток в здоровых костях); они секретируют коллаген и могут минерализовать матрицу.</p>
<p>«Возможно, это всего лишь модель, — говорит Заухнер, — но она очень похожа на нормальное развитие костей». Теперь, когда они запатентовали свою модель, исследователи планируют сделать ее доступной потенциальным партнерам в отрасли.</p>
<p>По сравнению с предыдущими моделями формирования костей новая модель in vitro на чипе предлагает множество преимуществ. Поры в этих предшествующих моделях были либо слишком узкими, так что клеткам едва хватало места для маневра, либо слишком широкими, чтобы не могла образоваться трехмерная сеть.</p>
<p>Более того, поскольку в этих моделях в качестве матричной структуры использовался коллаген, было невозможно изучить, производят ли коллаген сами клетки, и если да, то в каком количестве. Поскольку модель достаточно мала, чтобы поместиться на чипе, исследователи могут использовать ее, даже если в их распоряжении имеется всего несколько клеток пациента.</p>
<h2>Замена экспериментов на животных</h2>
<p>Вплоть до теперь основным средством исследования НО стало использование моделей животных. Заухнер отмечает, что их существует более 20, некоторые используют мышей, другие используют рыб или даже собак. «Эксперименты на животных сопряжены с множеством ограничений», — говорит она, главным из которых является то, что они чрезвычайно дороги.</p>
<p>«Вот почему мы пытаемся создать in vitro модель OI. Наша цель — внедрить клетки людей с OI в гидрогель, чтобы выяснить, какие процессы неисправны». Заухнер готов начать первые эксперименты с использованием клеток молодого пациента с OI в Детской больнице Цюриха.</p>
<p>Проект OI является частью Швейцарской национальной исследовательской программы «Advancing 3R». Его главная цель — изучить, как можно применить 3R-подход Replace, Reduce и Refine к экспериментам на животных.</p>
<p>Группа Циня стремится получить лучшее общее понимание процессов, управляющих тем, как кости формируются, развиваются и разрушаются. С этой целью деятельность группы не ограничивается новой моделью OI. В другом проекте, за который Цинь недавно получил престижный стартовый грант ERC, группа разрабатывает модель дегенеративных заболеваний костей, таких как остеопороз. Здесь основное внимание уделяется остеоцитам, которые являются окончательно дифференцированными костными клетками.</p>
<p>«Мы хотим использовать трехмерные сети человеческих клеток для построения in vitro модели развития костей», — говорит Цинь. Пока это никому не удалось, кроме, разве что, его собственной команды. «В модели, которую мы только что представили, мы обнаружили незрелые остеоциты, а также остеобласты».</p>
<p><strong>Дополнительная информация:</strong> Дорис Заухнер и др., Синтетические биоразлагаемые микропористые гидрогели для in vitro 3D-культивирования функциональных сетей костных клеток человека, <i>Nature Communications</i> (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49280-3 Предоставлено ETH Zurich</p>
</div></div><div class=

Новости сегодня

Последние новости