Индукция остеоартритного фенотипа в модели хряща-на-чипе
В условиях старения населения социальное влияние остеоартрита (ОА) может резко возрасти, сделав его самым распространенным заболеванием опорно-двигательного аппарата. Однако в настоящее время терапия ограничена паллиативным лечением или хирургическим вмешательством, поскольку модифицирующих болезнь препаратов (DMOA) мало, в основном из-за отсутствия релевантных доклинических моделей заболевания.
Чтобы решить эту биомедицинскую проблему, междисциплинарная команда исследователей из Швейцарии под руководством Паолы Оккетты разработала микрофизиологическую модель хряща-на-чипе. Устройство позволило применить контролируемое по деформации сжатие к трехмерному микротканевому аналогу суставного хряща и воспроизвести механические факторы, участвующие в патогенезе ОА. Оптимальным для индукции признаков ОА в лаборатории оказалось 30% сжатие с ограничением.
Используя только гиперфизиологическую компрессию (HPC), ученые вызвали смещение гомеостаза хряща в сторону катаболизма, воспаления и гипертрофии. В результате были получены профили экспрессии генов, аналогичные наблюдаемым в клинической остеоартритной ткани. Результаты работы опубликованы в Nature Biomedical Engineering.
Проблема существующих моделей
Основная сложность воспроизведения ткани хряща in vitro заключается в необходимости рекапитуляции патологии либо с помощью биохимической (цитокиновой), либо механической (нагрузочной) стимуляции. Цитокиновые модели основаны на передозировке воспалительными коктейлями, что не соответствует реальной среде ОА in vivo. В то же время макромасштабные биореакторы для создания патологической нагрузки не позволяют точно настроить микроокружение.
Разработка модели хряща-на-чипе (COC)
Устройство состояло из двух камер, разделенных гибкой мембраной:
- Верхняя камера содержала 3D-микроконструкт.
- Нижняя камера была приводным отсеком из полидиметилсилоксана (PDMS).
Для создания микроокружения использовался биовдохновленный гидрогель на основе полиэтиленгликоля (PEG), сшиваемый матриксными металлопротеиназами (MMP). Эта архитектура имитировала нелинейное поведение хряща за счет взаимодействия твердой матрицы и несжимаемой жидкости.
Модель создавали с использованием хондроцитов человека (hACs) от здоровых доноров, внедренных в PEG-гель. Через 14 дней хондрогенной культуры был получен микроконструкт, богатый коллагенами I, II типа и аггреканом.
Индукция остеоартритного фенотипа
Применение гиперфизиологической компрессии в течение семи дней (имитация биомеханики ежедневной ходьбы) привело к:
- Потере анаболической экспрессии генов.
- Значительной активации ключевого провоспалительного цитокина интерлейкина-8 (IL-8).
- Экспрессии нескольких генов, коррелирующих с ОА, что соответствовало клиническому профилю заболевания.
- Сдвигу дифференцировки hACs в сторону гипертрофических хондроцитов.
Фармакологическая валидация модели
Для проверки модели на скрининг препаратов ученые протестировали два соединения:
В модели COC рапамицин специфически снижал экспрессию гена MMP13 и оказывал значительный эффект на IL-8 только в самой высокой дозе. Также была проверена эффективность фармацевтического кандидата, находящегося в коммерческой разработке, и полученные данные согласовались с предыдущими доклиническими и клиническими отчетами.
Перспективы
Разработанная микросистема служит инструментом для скрининга кандидатов в DMOA-препараты. В будущем авторы планируют оптимизировать устройство для воспроизведения структурных и функциональных сигналов, чтобы изучать биомеханический ответ тканей (например, кости) в патофизиологических условиях и при терапевтическом вмешательстве.