Искусственный центр окостенения позволил зарастить крупные повреждения черепа у крыс

Когда повреждения костей слишком масштабны, заживление может занимать длительное время и заканчиваться отсроченным сращением либо несращением. Современные подходы к лечению в основном направлены на местную доставку факторов роста, чтобы усилить ангиогенез и остеогенез в поврежденном участке, однако при костных дефектах критического размера этого бывает недостаточно. Ученые из Китая создали органоид, имитирующий центр окостенения, и показали, что его можно использовать для восстановления крупных повреждений кости.

Исследователи продемонстрировали, что кальцитонин-ген родственный пептид (CGRP) действует синергично с костным морфогенным белком BMP-2 и усиливает остеогенную дифференцировку. Они дифференцировали клетки под действием различных нейропептидов, секретируемых периферическими нервами. CGRP значительно усилил остеогенную дифференцировку — об этом говорят окрашивание ализариновым красным, экспрессия гена щелочной фосфатазы (ALPL) и окрашивание на этот фермент (ALP), а также уровни Ki67 — маркера клеточной пролиферации, и γh2AX — маркера сенесценции. Остеогенная дифференцировка активировалась еще сильнее, если клетки обрабатывали CGRP и BMP-2 одновременно, а не каждым из факторов по отдельности.

Затем ученые напечатали на 3D-принтере сферы из мезенхимальных стволовых клеток, причем в ходе печати добавляли в них CGRP и BMP-2. Такие структуры («микроткани», как назвали их авторы) обеспечивали высокую жизнеспособность клеток и активный остеогенез.

Для имитации центра окостенения авторы работы сконструировали двухмодульную систему гидрогелей, в которую встроили вышеописанные «микроткани». Внутренний слой содержал микросферы и состоял из более стабильного гидрогеля, внешняя оболочка, загруженная субстанцией P, деградировала в организме быстрее.

Терапевтический потенциал такой системы проверяли на крысах. В область поврежденного свода черепа им трансплантировали органоид и наблюдали за процессом регенерации в течение восьми недель. Через месяц после операции в контрольной группе наблюдалось довольно слабое формирование костной ткани по краю окна в черепе, тогда как подсаженный органоид практически целиком заполнял это отверстие. Через восемт недель после операции череп контрольных крыс частично зарастал, однако в нем оставались большие промежутки. Имплант же обеспечивал выраженную регенерацию на всей площади повреждения.

Гистологические и транскриптомные исследования показали, что органоид, пересаженный в область крупного костного дефекта, способствует иннервации, васкуляризации и оссификации тканей.

Наконец, с помощью секвенирования РНК единичных клеток авторы проанализировали клеточный состав регенерирующего участка, в который подсадили органоид. Они обнаружили остеогенные линии дифференцировки, напоминающие по составу развивающуюся кость. Важным элементом такого клеточного сообщества было увеличение количества Krt8⁺ костных стволовых клеток и сокращение доли Has1⁺ мигрирующих фибробластов.

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности органоидов, имитирующих центры окостенения, для быстрого и эффективного заживления костных дефектов большого размера.

Активация синтеза ретиноевой кислоты позволила мышам зарастить повреждения ушной раковины