Системы доставки на основе гидрогеля для высвобождения фактора устойчивого роста в ремонте хряща

Репарация хряща остается одной из самых грозных проблем в ортопедической регенеративной медицине. В отличие от костей или кожи, хрящ обладает ограниченной внутренней способностью к самовосстановлению из-за его аваскулярной природы, низкой плотности клеток и относительной бездеятельности хондроцитов во взрослом суставе. Травма, остеоартрит и дегенеративные заболевания часто приводят к дефектам хряща, которые, если их не лечить, прогрессируют до боли в суставах, потери функции и, в конечном итоге, полной замены суставов. За последнее десятилетие терапия фактора роста возникла как мощная стратегия стимулирования хондрогенеза, но доставка этих биологически активных белков устойчивым, локализованным образом оказалась сложной. Системы доставки на основе гидрогеля вышли на передний план в области кардиальной тканевой инженерии, потому что они могут инкапсулировать факторы роста, защитить их от деградации и выпустить их в клинически значимых временных рамках. Эта статья обеспечивает авторитетный обзор систем устойчивого высвобождения на основе гидрогеля для восстановления хряща, охватывающих основы проектирования гидрогеля, ключевые факторы роста,

Понимание гидрогеля как средства доставки наркотиков

Гидрогели представляют собой трехмерные сети гидрофильных полимеров, которые могут поглощать и удерживать большое количество воды — часто 90% или более от их общего веса. Это высокое содержание воды в сочетании с их мягкими и эластичными механическими свойствами делает их поразительно похожими на нативный внеклеточный матрикс (ECM). В контексте восстановления хряща гидрогели выполняют двойные роли: они действуют как структурный каркас, который заполняет место дефекта и обеспечивает депо, из которого факторы роста высвобождаются контролируемым образом. Полимерные цепи сшиваются либо физически (через ионные взаимодействия, водородные связи или гидрофобные ассоциации), либо химически (через ковалентные связи) для формирования стабильной сети. Плотность сшивания, концентрация полимера и химический состав влияют на размер сетки, скорость деградации и, в конечном итоге, кинетику высвобождения инкапсулированных полезных нагрузок.

Ключевые преимущества гидрогелей включают их инъекционность (многие составы могут вводиться с помощью минимально инвазивных артроскопических процедур), их способность загружаться клетками и биологически активными молекулами, а также легкость, с которой их механические свойства могут быть настроены в соответствии с нативным хрящом. Для устойчивого высвобождения фактора роста гидрогели предлагают дополнительные преимущества: они защищают белки от ферментативного расщепления, уменьшают частоту введения (таким образом улучшая соблюдение пациентом) и минимизируют системные побочные эффекты путем локализации терапии в совместное пространство. Растущий объем литературы поддерживает использование гидрогелей для восстановления хряща, с клиническим переводом уже в стадии реализации для определенных составов (рассмотренный в этой статье 2023 года) .

Факторы роста, имеющие центральное значение для регенерации хряща

Факторы роста — это сигнальные белки, которые организуют клеточное поведение, включая пролиферацию, дифференцировку и матричный синтез. При восстановлении хряща несколько факторов роста показали особую перспективу:

Проблема в том, что эти белки имеют короткий период полураспада in vivo — от нескольких минут до нескольких часов — из-за протеолиза, быстрого клиренса и связывания с компонентами ECM. Поэтому система доставки, которая может секвестрировать фактор роста в месте дефекта и высвобождать его в течение недель или месяцев, имеет важное значение для достижения терапевтической эффективности.

Гидрогели для устойчивого высвобождения в ремонте хряща

Для хрящевых применений исследовано большое разнообразие гидрогелевых материалов, которые можно классифицировать на природные полимеры, синтетические полимеры и гибридные системы. Каждый класс представляет собой различные компромиссы между биосовместимостью, механической прочностью, поведением деградации и способностью контролировать кинетику высвобождения.

Природные полимерные гидрогели

Натуральные гидрогели получены из биологических источников и по своей сути биосовместимы, часто с внутренними мотивами сцепления клеток, которые поддерживают присоединение и функцию хондроцитов.

Природные гидрогели обычно разрушаются с помощью ферментативных или гидролитических механизмов, что может быть полезно для полной резорбции и ремоделирования тканью хозяина, однако их механическая слабость и изменчивость по партиям остаются ограничениями.

Синтетические полимерные гидрогели

Синтетические гидрогели обеспечивают превосходный контроль над механическими свойствами, скоростью деградации и химическим составом. Они не полагаются на материалы животного происхождения, снижая риски иммуногенности. Ключевые примеры включают:

Синтетические гидрогели обычно не обладают биоактивностью, если не модифицированы, и их продукты деградации (например, молочная кислота, гликолевая кислота) могут создавать кислые микросреды, которые могут быть вредными для хондроцитов.

Гибридные и композитные гидрогели

Для использования преимуществ как природных, так и синтетических материалов многие исследователи обратились к гибридным системам. Например, гидрогели PEG могут быть привиты с коллагеновыми, HA или RGD пептидами для улучшения адгезии клеток. Интерпенетрационные сети (IPN) объединяют две независимые полимерные сети для повышения механической прочности. Другим возникающим подходом является включение наночастиц мезопористых кремнеземных наночастиц, наночастиц гидроксиапатита в гидрогелевую матрицу для обеспечения дополнительного барьера для диффузии и создания более устойчивого профиля высвобождения. Такие нанокомпозитные гидрогели активно изучаются на предмет их способности высвобождать множественные факторы роста в запрограммированной последовательности (недавний пример) .

Стратегии достижения высвобождения фактора устойчивого роста

Высвобождение факторов роста из гидрогелей может происходить через несколько механизмов, часто работающих параллельно: диффузия через полимерную сеть, отек гидрогеля (который увеличивает размер сетки), деградация (эрозия) полимерных цепей и специфические аффинные взаимодействия между фактором роста и матрицей. Достижение устойчивого высвобождения обычно требует замедления диффузии и продления времени пребывания белка в геле.

Физическая ловушка

Простейший подход заключается в растворении фактора роста в растворе-предшественнике гидрогеля перед сшиванием. Полученная полимерная сеть физически захватывает белок. Освобождение затем происходит посредством диффузии через сетку. Этот метод прост, но часто приводит к разрывному высвобождению в виде значительной части белка вблизи поверхности быстро десорбируется. Для смягчения разрывного высвобождения можно увеличить плотность сшивания (снижая размер сетки) или использовать гидрогель с более высокой концентрацией полимера. Однако это также может препятствовать миграции клеток и отложению матрицы.

Инкапсуляция в микро- или наноносителях

Более совершенная стратегия включает в себя сначала инкапсулирование фактора роста внутри вторичного носителя, такого как микросферы PLGA, липосомы или наночастицы хитозана, а затем встраивание этих носителей в гидрогель. Внутренний носитель обеспечивает дополнительный диффузионный барьер и может быть адаптирован для медленного разложения, высвобождая фактор роста в течение недель до месяцев. Этот двухбарьерный подход значительно снижает разрывное высвобождение и позволяет осуществлять независимую настройку свойств носителя и гидрогеля. Например, было показано, что системы двойного высвобождения, которые доставляют BMP-2 из микросфер и TGF-β3 из объемного гидрогеля, усиливают восстановление остеохондрального дефекта в моделях животных.

Химическая конъюгация и связывание аффинности

Ковалентно связывая фактор роста с гидрогелевым костяком (или с пептидом-носителем), высвобождение становится зависимым от расщепления этой связи либо гидролизом, либо ферментативным действием. Этот метод обеспечивает наиболее точный контроль за высвобождением кинетики высвобождения и может достигать высвобождения почти нулевого порядка. Однако он требует тщательной химии, чтобы избежать денатурации фактора роста или блокирования его активного участка. Системы на основе аффинности используют нековалентные взаимодействия, такие как связывание гепарина, связывание с конкретными компонентами ECM (например, аггреканом), или взаимодействия с разработанными пептидными последовательностями, чтобы замедлять высвобождение. Гепарин-миметические гидрогели, которые связывают факторы роста с сильными ионными взаимодействиями, были особенно успешными для устойчивой доставки TGF-β и BMP-2.

Стимуло-отзывчивый выпуск

Последние достижения ввели «умные» гидрогели, которые высвобождают факторы роста в ответ на конкретные сигналы окружающей среды. Они включают температуру (например, PNIPAM), рН (например, композиты хитозана / полиакриловой кислоты), ферменты (например, линкеры, чувствительные к ММП) или даже механическую нагрузку (например, принудительное высвобождение). При восстановлении хряща идеальная система может высвобождать больше фактора роста в периоды воспаления (низкий рН, высокая активность протеазы) или в ответ на вес, имитируя при этом естественную динамическую среду сустава.

Проблемы, мешающие клиническому переводу

Несмотря на многообещающие доклинические результаты, только несколько систем доставки факторов роста на основе гидрогеля достигли клинического тестирования для восстановления хряща.

Будущие направления и новые подходы

Область быстро движется к более сложным гидрогелевым платформам, которые устраняют эти ограничения.

ЭКМ-гидрогели

Порошки ECM (dECM) децеллюляризованного хряща могут быть растворены и восстановлены в гидрогелях, которые сохраняют нативные биохимические сигналы. Эти гидрогели обеспечивают среду факторов роста, протеогликанов и коллагена, которые тесно имитируют микроокружение хряща. гидрогели dECM, как было показано, усиливают хондрогенез МСК без добавления экзогенных факторов роста, упрощая систему доставки.

3D-биопечать и персонализированные гидрогели

3D биопечать позволяет пространственное осаждение гидрогелей с точно контролируемой архитектурой, что позволяет создавать градуированные каркасы, имитирующие зональную организацию хряща (поверхностная, средняя, глубокая зоны). Факторы роста могут быть напечатаны в конкретных моделях для направления дифференциации клеток и формирования матриц. Эта технология обещает специфические для пациента имплантаты, которые соответствуют геометрии дефекта (недавний обзор биопечати хряща) .

VEGF и стратегии двойного роста

В то время как васкуляризация, как правило, нежелательна в сосудистом хряще, субхондральные костные дефекты требуют как остеогенеза, так и хондрогенеза. Системы двойного высвобождения, обеспечивающие VEGF (для костного ангиогенеза) наряду с хондрогенным фактором (например, TGF-β3), показали успех в моделях остеохондрального дефекта. Гидрогели, которые выделяют факторы в пространственно-временной последовательности, сначала способствуя образованию костей, а затем образованию хряща, являются активной областью исследований.

Экзосомы и миметика фактора роста

Альтернативой рекомбинантным белкам является использование экзосом или секретомов из МСК, которые содержат коктейль факторов роста и цитокинов. Гидрогели, загруженные экзосомами, могут обеспечить более естественную, устойчивую сигнальную среду. Малые молекулярные препараты, имитирующие сигнализацию фактора роста (например, Картогенин, который способствует хондрогенезу), также включаются в гидрогели в качестве более дешевых, более стабильных альтернатив.

Обновления клинических испытаний

Например, использование гидрогеля на основе ГК, нагруженного TGF-β3 (или аутологичными МСК), показало ранние перспективы в небольших испытаниях для очаговых дефектов хряща. Сфериген сприфермин (FGF-18) поставляется в виде внутрисуставной инъекции (не гидрогель), но демонстрирует потенциал воздействия фактора устойчивого роста. Также изучается система доставки на основе гидрогеля для BMP-7. По мере того, как регуляторные пути становятся более ясными, мы можем ожидать больше клинических данных в ближайшие годы.

Заключение

Системы доставки на основе гидрогеля представляют собой универсальную и мощную платформу для достижения устойчивого высвобождения факторов роста в восстановлении хряща. Используя уникальные свойства гидрогелей - биосовместимость, настраиваемость и способность имитировать ECM - исследователи разработали системы, которые могут поддерживать терапевтические уровни хондрогенных белков в течение нескольких недель или месяцев, улучшая результаты на моделях животных. Натуральные, синтетические и гибридные гидрогели предлагают различные преимущества, а стратегии, такие как микрокапсуляция и связывание сродства, улучшают контроль над кинетикой высвобождения. Остаются проблемы, связанные с механической прочностью, разрывным высвобождением и клиническим производством, но новые подходы, включая 3D-биопечать, гидрогели DECM и гели, загруженные экзосомой, обещают преодолеть эти препятствия. По мере развития области доставка фактора роста на основе гидрогеля, готова стать краеугольным камнем терапии регенерации хряща следующего поколения, в конечном итоге предлагая пациентам вариант неартропастии для сохранения суставов и облегчения боли.