Влияние факторов роста на дифференцировку и восстановление хрящевых клеток

Каковы факторы роста?

Факторы роста — это сигнальные белки, секретируемые клетками, которые связываются с конкретными трансмембранными рецепторами на клетках-мишенях. Это связывание инициирует каскады внутриклеточной сигнальной трансдукции — прежде всего путь Smad (для членов семейства TGF-β), путь MAPK / ERK и путь PI3K / Akt. Эти каскады в конечном итоге модулируют экспрессию генов, контролируя такие процессы, как деление клеток, производство матриц и дифференциация.

Факторы роста действуют паракринным (местным), аутокринным (одноклеточным) или эндокринным (системным) образом. Их эффекты сильно зависят от контекста: один и тот же фактор может способствовать пролиферации в одном типе клеток и дифференциации в другом. В суставной среде факторы роста высвобождаются самими хондроцитами, синовиальными клетками и путем инфильтрации воспалительных клеток после травмы. Эндогенные уровни обычно низки, и их естественная доставка пространственно и временно регулируется. В терапевтических целях исследователи стремятся переназначить эту регуляцию для эффективного восстановления без неблагоприятных эффектов, таких как неконтролируемый рост тканей или образование остеофита.

Ключевые факторы роста в регенерации хряща

Наиболее широко изученные факторы роста относятся к суперсемейству трансформирующего фактора роста -β (TGF-β), семейству инсулиноподобных факторов роста (IGF) и семейству факторов роста фибробластов (FGF).

Трансформирующий фактор роста (TGF-β) и костные морфогенетические белки (BMP)

Сам TGF-β (изоформы 1, 2 и 3) является мощным индуктором хондрогенеза. Он стимулирует мезенхимальные стволовые клетки (МСК) дифференцироваться в хондроциты и способствует синтезу коллагена II типа и аггрекана, основных компонентов ECM гиалинового хряща. Однако TGF-β также может индуцировать фиброзные реакции и образование остеофита, если не тщательно контролировать.

Костные морфогенетические белки (BMPs) являются частью одного и того же суперсемейства. BMP-2, BMP-4 и BMP-7 (также известный как остеогенный белок-1, OP-1) являются особенно хондрогенными. BMP-7 одобрен для использования в спинномозговом синтезе и был исследован для восстановления хряща. Он стимулирует выработку матрицы и защищает хондроциты от апоптоза. BMP-2 также используется в регенерации костей и показал перспективность в моделях дефекта хряща, хотя он несет риск эктопического образования костей. Растущий объем данных свидетельствует о том, что комбинация TGF-β и BMP сигнализации может потребоваться для оптимального образования гиалинового хряща.

Инсулин-подобный фактор роста-1 (IGF-1)

IGF-1 является основным анаболическим фактором хряща. Он усиливает пролиферацию хондроцитов, выживаемость и синтез матриц (особенно аггрекана и коллагена типа II). Уровни IGF-1 снижаются с возрастом и в остеоартритных суставах, что может способствовать возрастному снижению способности к восстановлению хряща. В доклинических моделях внутрисуставные инъекции IGF-1 улучшают заживление хряща, но быстрый клиренс из сустава и наличие IGF-связывающих белков (IGFBPs) препятствуют его эффективности. Исследуются стратегии продления удержания IGF-1, такие как связывание его с биоматериалами.

Факторы роста фибробластов (FGF)

FGF-2 (базовый FGF) стимулирует пролиферацию хондроцитов и МСК и защищает хрящ от деградации путем повышения регуляции тканевого ингибитора металлопротеиназ (ТИМП). FGF-18 (сприфермин) продвинулся дальше всего в клиническом развитии. В фазе 2 рандомизированного исследования у пациентов с остеоартритом коленного сустава внутрисуставные инъекции сприфермина привели к дозозависимому увеличению толщины хряща, измеренному МРТ, без серьезных побочных эффектов. Продолжаются испытания фазы 3. FGF-18, по-видимому, стимулирует как производство хрящевой матрицы, так и пролиферацию хондроцитов, ингибируя гипертрофическую дифференцировку - ключевое преимущество для поддержания стабильного фенотипа суставного хряща.

Другие известные факторы роста

Фактор роста, полученный из тромбоцитов (PDGF), способствует пролиферации и миграции МСК. Фактор роста соединительной ткани (CTGF, теперь CCN2) действует совместно с TGF-β для усиления хондрогенеза. Фактор дифференциации роста-5 (GDF-5, также известный как CDMP-1) имеет важное значение для совместного развития и использовался в доклинических исследованиях восстановления хряща. Наконец, трансформирующий фактор роста-β-индуцированный ген-H3 (βig-h3) и эпидермальный фактор роста (EGF) также модулирует поведение хондроцитов, но их роли менее хорошо характеризуются.

Роль факторов роста в дифференциации хрящевых клеток

Дифференциация хрящевых клеток — процесс, посредством которого незрелые мезенхимальные стволовые клетки (МСК) становятся совершенными хондроцитами — является центральным событием как в развитии, так и в восстановлении. Этот процесс называется хондрогенезом . Он протекает через ряд четко определенных стадий: мезенхимальная конденсация, пролиферация, дифференциация хондробластов и созревание в гипертрофические хондроциты (последние являются типичными для развития пластин роста, но нежелательными в суставном хряще). Факторы роста управляют каждым шагом.

Инициирование хондрогенеза

TGF-β и BMP являются основными драйверами ранних стадий. Когда MSC подвергаются воздействию TGF-β3 или BMP-2 in vitro, они повышают факторы транскрипции Sox9 , L-Sox5 и Sox6. Sox9 считается главным регулятором фенотипа хондроцитов: он непосредственно активирует гены, кодирующие коллаген II типа, аггреканы и другие специфические для хряща матричные белки. BMP также индуцируют ноггин и гремлин, которые действуют как регуляторы отрицательной обратной связи для тонкой настройки интенсивности сигнализации. FGF сигнализация, особенно через FGF-рецептор 3 (FGFR3), может либо способствовать, либо ингибировать хондрогенез в зависимости от стадии и дозы.

Созревание и техническое обслуживание

Как только клетки становятся хондроцитами, их необходимо предотвратить от терминальной гипертрофической дифференциации, во время которой они производят коллаген типа X и в конечном итоге минерализуют матрицу — процесс, который приводит к эндохондральной оссификации и неуместен в суставном хряще. ИФР-1 и ТГФ-β помогают поддерживать стабильный фенотип. ФГФ-18, как отмечалось, также подавляет гипертрофию. Напротив, длительное воздействие воспалительных цитокинов, таких как ИЛ-1β или ТНФ-α, может привести хондроциты к катаболическому состоянию, подрывая восстановление. Таким образом, баланс между анаболическими факторами роста и катаболическими воспалительными сигналами имеет решающее значение.

Дифференциация в поврежденном суставе

После повреждения хряща местная микросреда содержит смесь факторов роста, высвобождаемых из поврежденной ткани и из синовиума. МКС из костного мозга или синовиальной жидкости реагируют на эти сигналы. Однако естественная концентрация и продолжительность воздействия часто недостаточны для запуска надежного хондрогенеза. При дефектах полной толщины, которые проникают в субхондральную кость (например, после микротрещины), МСК вступают в дефект, но преимущественно образуют фиброкартиля, а не гиалиновый хрящ, потому что среда фактора роста благоприятствует фибробластной дифференцировке. Это объясняет клиническую потребность в экзогенно доставленных факторах роста или для клеточных методов лечения, которые объединяют МСК с конкретными хондрогенными сигналами.

Факторы роста в ремонте хряща: терапевтические применения

Использование факторов роста для восстановления хряща было проведено через несколько пересекающихся стратегий: прямая внутрисуставная инъекция, контролируемое высвобождение из биоматериалов, включение в клеточную терапию и генную терапию для достижения устойчивой местной экспрессии.

Прямая инъекция

Самый простой подход заключается в введении раствора фактора роста в сустав. Ранние исследования на животных показали, что однократные или повторные инъекции TGF-β, BMP-7 или IGF-1 могут улучшить заживление хряща. Однако перевод на людей был затруднен коротким периодом полураспада (от нескольких минут до нескольких часов), быстрым клиренсом через синовий и нецелевые эффекты. Например, инъекции TGF-β в коленях кролика стимулировали восстановление хряща, но также вызывали синовиальную гиперплазию и образование остеофита. Сприфермин (FGF-18) является единственным фактором роста, который показал значительную структурную пользу в рандомизированном контролируемом исследовании остеоартрита коленного сустава, без каких-либо серьезных сигналов безопасности. Сейчас он находится на поздней стадии клинического развития.

Системы доставки биоматериалов

Для преодоления фармакокинетических ограничений исследователи разработали носители биоматериалов, которые высвобождают факторы роста контролируемым, устойчивым и иногда пространственно определенным образом. Общие носители включают гидрогели (например, гиалуроновую кислоту, альгинат, полиэтиленгликоль), губки коллагена, синтетические полимерные каркасы и децеллюляризованный ECM. Эти материалы могут быть загружены одним или несколькими факторами роста и имплантированы в дефект хряща. Например, коллагеновый каркас, функционализированный с BMP-7, был протестирован на животных моделях и показал улучшенный хондрогенез. Другим перспективным подходом является использование умных гидрогелей , которые высвобождают факторы роста в ответ на активность матриксной металлопротеиназы (MMP) или изменения pH, которые происходят в поврежденном суставе.

Клеточная терапия в сочетании с факторами роста

В аутологичной имплантации хондроцитов (ACI) и его матрично-ассистируемом варианте (MACI) хондроциты расширяются ex vivo и реимплантируются. Клетки можно предварительно обработать факторами роста для повышения их матрично-формирующей способности. Кроме того, биоматрица, используемая в MACI, может быть пропитана TGF-β или BMP. Мезенхимальные методы лечения стволовыми клетками представляют собой более масштабируемый вариант. MSC из костного мозга, жировой ткани или синовия часто расширяются в культуре с TGF-β3 или BMP-2, чтобы подготовить их к хондрогенезу перед имплантацией. Клинические испытания оценивают эффективность MSC-сеянных каркасов с факторами роста для лечения очаговых дефектов хряща и раннего остеоартрита. Недавний метаанализ клеточных методов лечения дефектов хряща коленного сустава сообщил о превосходных результатах, когда были включены добавки фактора роста.

Подходы генной терапии

Генная терапия предлагает потенциал для долгосрочной, местной экспрессии факторов роста. Векторы (обычно аденоассоциированный вирус, AAV или невирусные плазмиды), несущие ген для TGF-β, BMP-2 или IGF-1, доставляются в сустав или непосредственно в хондроциты. Доклинические исследования на лошадях и овцах показали, что перенос генов TGF-β1, опосредованный AAV, может способствовать заживлению очаговых дефектов и предотвращению прогрессирования ОА. Проблемы безопасности (иммуногенность, инсерционный мутагенез и неконтролируемая экспрессия) остаются, но текущие достижения в векторном проектировании и регуляции двигают эту стратегию к клиническому тестированию. Зарегистрировано исследование фазы 1 AAV-IGF-1 при остеоартрите лодыжки (NCT02727777). Редактирование генов с помощью CRISPR / Cas9 может обеспечить точную активацию генов эндогенного фактора роста.

Плазма, богатая тромбоцитами (PRP) как фактор роста коктейля

PRP является концентратом аутологичной крови, содержащей супрафизиологические уровни многих факторов роста, включая PDGF, TGF-β, IGF-1, VEGF и FGF. Он широко используется в ортопедии для мягких тканей и хрящевых травм, хотя доказательства его эффективности при восстановлении хряща остаются неоднозначными. Преимущество PRP заключается в его простоте: одноэтапная обработка крови пациента дает коктейль, который отражает естественную среду заживления ран. Основным недостатком является изменчивость среди препаратов — концентрация тромбоцитов, содержание лейкоцитов и метод активации — все это влияет на окончательный профиль фактора роста. Разработаны протоколы стандартизации, и некоторые исследования показывают, что лейкоцитарно-бедный PRP дает лучшие результаты для хряща. Два систематических обзора (например, ]Chen et al., 2020 ) пришли к выводу, что инъекции PRP скромно уменьшают боль и улучшают функцию коленного ОА, особенно у молодых пациентов с ранним заболеванием.

Новые исследования и будущие направления

Несмотря на обещание, перевод терапии с использованием факторов роста в рутинное клиническое использование был медленным. Ключевые препятствия включают точное дозирование, пространственно-временной контроль, предотвращение образования эктопических тканей и стоимость. Исследовательское сообщество ищет несколько инновационных решений.

Комбинаторная и последовательная доставка

Развитие хряща и заживление включают последовательность сигналов фактора роста. Имитирование этой последовательности — например, ранняя доставка TGF-β для индуцирования хондрогенеза, а затем переход на IGF-1 и FGF-18 для стабилизации фенотипа — может обеспечить более прочный и долговечный ремонт. Современные системы доставки лекарств теперь позволяют многоступенчатое высвобождение из одного каркаса. Послойные покрытия и волокна ядра-оболочки разрабатываются для высвобождения различных факторов в разное время.

Экзосомы и паракринные медиаторы

Возникающая парадигма заключается в том, что терапевтические эффекты МСК в значительной степени опосредованы их секретомом, включая экзосомы (внеклеточные везикулы). Эти везикулы несут факторы роста, мРНК и микроРНК, которые могут модулировать поведение клеток-реципиентов без необходимости приживления цельных клеток. Экзосомы, загруженные TGF-β или BMP-2, показали хондрозащитные эффекты на животных моделях. Использование экзосом в качестве средства доставки может снизить риски иммунного отторжения и опухолевости. Исследования продолжаются, чтобы понять оптимальные стратегии загрузки и таргетинга.

Персонализированные профили факторов роста

Отдельным пациентам, вероятно, требуются различные комбинации факторов роста и дозы в зависимости от их возраста, генетического фона, тяжести заболевания и биологии суставов. Анализ жидкой биопсии (протеомика синовиальной жидкости) может профилировать факторы роста и цитокины, присутствующие в суставе пациента. Эта информация может направлять персонализированное лечение, такое как выбор того, какой фактор дополнять или антагонизировать. Например, суставы с высоким уровнем IL-1β могут извлечь выгоду из сопутствующей противовоспалительной терапии. Инициатива Biomarker OA направлена на облегчение таких индивидуальных подходов.