Исследователи из Columbia Engineering объявили сегодня, что они успешно вырастили полностью функциональный человеческий хрящ in vitro из человеческих стволовых клеток, полученных из ткани костного мозга. Их исследование, которое демонстрирует новые способы лучше имитировать огромную сложность развития, регенерации и заболевания тканей, опубликовано 28 апреля в раннем онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
"Нам удалось – впервые – создать полностью функциональный хрящ человека из мезенхимальных стволовых клеток, имитируя in vitro процесс развития мезенхимальной конденсации," говорит Гордана Вуньяк-Новакович, которая руководила исследованием и является профессором биомедицинской инженерии в Columbia Engineering и профессором медицинских наук в Фонде Микати. "Это может иметь клинические последствия, поскольку этот хрящ можно использовать для восстановления дефекта хряща или в сочетании с костью в композитном трансплантате, выращенном в лаборатории, для более сложной реконструкции ткани."
Более 20 лет исследователи неофициально называли хрящ "официальная ткань тканевой инженерии," Вуньяк-Новакович наблюдает. Многие группы изучали хрящ как очевидно простую ткань: один тип клеток, без кровеносных сосудов или нервов, ткань, созданная для несения нагрузок, при этом защищая концы костей в суставах. Несмотря на большой успех в разработке частей хряща с использованием клеток молодых животных, до сих пор никому не удавалось воспроизвести эти результаты с использованием стволовых клеток взрослого человека из костного мозга или жира, наиболее практичного источника стволовых клеток. Команде Вуньяк-Новакович удалось вырастить хрящ с физиологической архитектурой и прочностью, радикально изменив подход к тканевой инженерии.
Общий подход к инженерии хрящевой ткани заключался в помещении клеток в гидрогель и их культивировании в присутствии питательных веществ и факторов роста, а иногда и механической нагрузки. Но использование этого метода со стволовыми клетками взрослого человека неизменно приводит к образованию механически слабого хряща. Поэтому Вуньяк-Новакович и ее команда, которые давно интересовались инженерией скелетных тканей, задались вопросом, может ли метод, напоминающий нормальное развитие скелета, привести к более высокому качеству хряща.
Сариндр Бхумиратана, научный сотрудник Лаборатории стволовых клеток и тканевой инженерии Вунжака-Новаковича, предложил новый подход: заставить мезенхимальные стволовые клетки пройти стадию конденсации, как в организме, прежде чем они начнут формировать хрящ. Он обнаружил, что это простое, но серьезное отклонение от того, как обычно делалось, привело к качеству человеческого хряща, невиданному ранее.
Джерард Атешян, профессор машиностроения Эндрю Вальца, профессор биомедицинской инженерии и заведующий кафедрой машиностроения, и его аспирант Севан Унгулиан помогли провести измерения, показавшие, что смазочные свойства и прочность на сжатие – два важных функциональных свойства – тканево-инженерного хряща приблизились к таковым из естественного хряща. Затем исследователи использовали свой метод для регенерации больших кусков анатомической формы и механически прочного хряща над костью, а также для восстановления дефектов хряща.
"Весь наш подход к тканевой инженерии является биомиметическим по своей природе, что означает, что наши инженерные разработки определяются биологическими принципами," Примечания Вуньяка-Новаковича. "Этот подход оказался эффективным в улучшении качества многих искусственно созданных тканей – от кости до сердца. Тем не менее, мы были действительно удивлены, увидев, что наш хрящ, выросший за счет имитации некоторых аспектов биологического развития, был таким же прочным, как и «нормальный» человеческий хрящ."
Затем команда планирует проверить, сохраняет ли модифицированная хрящевая ткань свою структуру и долгосрочную функцию при имплантации в дефект.
"Это очень интересное время для тканевых инженеров," говорит Вуньяк-Новакович. "Стволовые клетки меняют будущее медицины, предлагая способы преодолеть некоторые фундаментальные ограничения человеческого тела. Мы, биоинженеры, сейчас работаем с учеными, занимающимися стволовыми клетками, и клиницистами, чтобы разработать технологии, которые сделают эту мечту возможной. Этот проект является прекрасным примером того, что нам нужно «мыслить клеткой», чтобы узнать, как именно заставить клетки создать функциональную человеческую ткань определенного вида. Это символ того, что прогресс, движимый исключительными молодыми талантами, есть среди наших постдоков и студентов в Columbia Engineering."