Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ПАРАТГОРМОН-РОДСТВЕННЫЙ ПРОТЕИН

Курзанов А. Н., Ледванов М. Ю., Быков И. М., Медведев В. Л., Стрыгина Е. А., Бизенкова М. Н., Заболотских Н. В., Ковалев Д. В., Стукова Н. Ю.,

5.4.1. Использование остеогенных свойств паратгормон-родственного протеина для регенерации костной ткани

ПТГрП вовлечен в регуляцию функционирования надкостницы окружающей кость снаружи, которая служит источником костеобразования при росте кости в толщину у детей, принимает участие в образовании костной мозоли при диафизарных переломах, а также в кровоснабжении поверхностных слоев кости. ПТГрП экспрессируется в волокнистом наружном слое надкостницы, а рецептор ПТГ/ПТГрП (PTHR1) экспрессирующийся во внутреннем камбиальном слое, вызывает образование остеобластов и остеокластов, которые моделируют/реконструируют поверхность кортикальной кости во время ее развития, но мало, что известно о роли ПТГрП в надкостнице во время заживления костных трещин. Предполагается, что ПТГрП в волокнистом слое надкостницы может быть ключевым регуляторным фактором при ремоделировании кости при заживлении трещины (Wang M., et al., 2015). В экспериментах на мышах с использованием модели трещин большеберцовой кости показано, что как экспрессия ПТГрП, так и индукция образования остеобластов в надкостнице индуцировались через 3 дня после перелома. Авторы иследовали потенциальную функциональную роль ПТГрП надкостницы при заживлении трещин, используя мышей с условным нокаутом ПТГрП у которых в надкостнице отсутствует ПТГрП и обнаружили, что размер и форма каллуса, а также минерализация костной ткани у ПТГрП-нокаутных мышей были нарушены по сравнению с мышами надкостница которых продуцировала этот протеин. В соответствии с этими находками выявлено нарушение образование остеобластов и активности остеокластов у мышей с нокаутом продукции ПТГрП в камбиальном слое надкостницы. Авторы заключили, что удаление ПТГрП из надкостницы ухудшает образование хрящевого каллуса, созревание и оссификацию, а также ремоделирование во время заживления трещин. Эти данные свидетельствуют о том, что ПТГрП надкостницы может вызывать остеобластную активность и регулировать заживление трещин на поверхности кортикальной кости.

Коррекция костных дефектов является серьезной проблемой, решение которой требует создания оптимальных имплантов из материала, обладающего должными механическими характеристиками и способного стимулировать регенерацию костной ткани. Ортопедические и стоматологические имплантаты успешно использовались в течение многих десятилетий для замены или ремонта поврежденных или отсутствующих костей, суставов и зубов. Показатели успешности применения имплантов в большой мере обусловлены проблемами, связанными с недостаточной их интеграцией с окружающими тканями и воспалением. Много различных типов поверхностных покрытий были разработаны с целью устранения этих недостатков, в том числе и те, которые включают остеоиндуктивные факторы и терапевтические средства для обеспечения локализованной доставки к зоне имплантации.

При коррекции дефектов костей, вызванных травмой или другими причинами используют различные биологически активные факторы для стимуляции регенерации костной ткани. Ангиогенез и формирование кости критически связанные биологические процессы. Поскольку достижение быстрой васкуляризации является ключевым фактором успешного приживления трансплантата при любой трансплантации, взаимодействие ПТГрП с системой сосудистого эндотелиального фактора роста (VEGF) имеет первостепенное значение (Alonso V., et al., 2008). Проангиогенные и проостеогенные факторы остеобластов или сосудистых эндотелиальных клеток индуцированные ПТГрП увеличивают образование костной ткани и остеоинтеграцию аллотрансплантантов в костных дефектах способствуя повышению их приживления (Hildreth B.E., et al., 2015). Ряд подходов используются для доставки таких средств в зону заживлении костных дефектов. В этой связи большой интерес исследователей был проявлен к фрагменту С-концевого домена ПТГрП (107-111), известного как остеостатин. Установлено, что иммобилизация пентапептида ПТГрП (107-111), на каркасе из коллаген- гидроксиапатита поддерживает его проостеогенное влияние на остеобласты. При имплантации такого каркаса в костный дефект фиксируется значительно большее образование нового объема костной ткани по сравнению с нефункционализированными остеостатином каркасами (Quinlan E., et al., 2015). Это исследование показывает, что такой подход локализованной доставки остеогенного биологически активного вещества обеспечивает больший пространственно-временной контроль над факторами роста и может существенно модулировать процессы регенерации костной ткани.

Остеостатин был использован в качестве покрытия имплантов из пористого титана, которые применяют при коррекции критических костных дефектов.

Нанесение пептидного покрытия на импланты использованные для коррекции дефектов бедренной кости у крыс улучшило раннюю регенерацию костной ткани по сравнению с имплантами из титана без покрытия остеоиндуктивным пептидным фрагментом ПТГрП (van der Stok J., et al., 2015). В опытах in vitro исследовали полученные из человеческой надкостницы остеопрогениторные клетки, которые культивировали на титановых каркасах, покрытых остеостатином. В культивируемых клетках не было отмечено существенных изменений маркеров остеогенеза (щелочной фосфатазы, остеокальцина, коллагена первого типа, транскрипционного фактора Runx2), а также сосудистого эндотелиального фактора роста (VEGF), но выявлено повышение экспрессии остеопротегерина и снижение лиганда рецептора активатора ядерного фактора-kB (RANKL).

В другом исследовании импланты на основе диоксида кремния, покрытые остеостатином, использовали для восстановления костной ткани в зкспериментах с полостным дефектом бедренной кости кролика (Trejo C.G., et al., 2010).Установлено, что биокерамические импланты с таким покрытием значительно улучшают местную индукцию костной ткани. Формирование новой костной ткани в зоне имплантов с остеостатином было более значительным по сравнению с имплантами без пептидной нагрузки. Это было подтверждено иммуногистохимическими исследованиями различных маркеров остеобластов.

Coletta D.J. et al. (2014) изучили характеристики гибридных биоактивных стекловолокнистых каркасов, содержащих пентапептид остеостатин, полученный из ПТГрП, в качестве имплантатов для применения в тканях. Эксперименты с культивированием клеток in vitro проводили с использованием мышиной остеобластной линии клеток MC3T3-E1. Воздействие на остеостатин-содержащие каркасы увеличивало пролиферацию клеток в отличие от не содержащих пентапептид каркасов. В исследовании in vivo имплантировали каркасы покрытые остеостатином или без такого покрытия в некритический дефект кости на бедро кролика. Обе группы продемонстрировали новое компактное формирование кости на поверхности имплантата, с ламелями, расположенными вокруг канала Хаверса, образующего остеонподобную структуру. Имели место признаки воспаления вокруг имплантированных каркасов без покрытия пентпептидом, которые разрешались через 3 месяца. Это раннее воспаление не происходило в группе животных с имплантами покрытыми остеостатином поддерживая представление о том, что остеостатин может действовать как противовоспалительный ингибитор. С другой стороны у животных этой группы зафиксировано повышенное образование костной ткани, что подтверждено наличием многих новых трабекул, частично минерализованных в области регенерации имплантатов, выявленными в течение 1 месяца и более очевидными через 3 месяца после имплантации. Гибридные биоактивные стекловолокнистые каркасы, содержащие пентапептид остеостатин представляют собой пористую структуру, подходящую для поддержки пролиферации и дифференцировки остеобластов. Результаты исследований in vitro и in vivo показали, что покрытие остеостатином улучшает остеогенные признаки этих каркасов.

Известно, что фактор роста фибробластов (FGF)-2 модулирует функцию остеобластов и индуцирует ангиогенез, и может способствовать адгезии остеобластов и их пролиферации после его иммобилизации на керамическом каркасе из легированного кремнием гидроксиапатита. В экспериментах in vitro с использованием клеточной линии остеобластов МСЗТЗ-Е1 показано, что биологическая эффективность
FGF-2-покрытия на каркасе из кремний-гидроксиапатита повышается в присутствии остеостатина. Добавление этого пептидного эпитопа ПТГрП к FGF-2 покрытию каркаса значительно усиливает экспрессию гена Runx2, остеокальцина, сосудистого эндотелиального фактора роста (VEGF), и рецепторов VEGFR-1 и VEGFR -2, не оказывая значительного влияния на FGF-рецепторы в этих клетках. Результаты исследования показали, что остеостатин увеличивает остеогенный эффект FGF-2 иммобилизованного на каркасе из кремний-гидроксиапатита с помощью механизма с митоген-активируемой протеинкиназой и внутриклеточного Са(2+). Эти данные представляют собой привлекательную стратегию для инженерии костной ткани (Lozano D., et al., 2012).

Разработка биодеградирующих полимерных каркасов является одной из ключевых задач регенеративной медицины (Stoppel W.L., et al., 2015). Поиск оптимального биополимера для тканевой инженерии был предпринят в исследованиях (Lozano D., et al., 2010; Lozano D., et al., 2014). В экспериментах на крысах в полостной дефект в зоне дистального метафиза большеберцовой кости был имплантирован биоразлагаемый каркас из нанокристаллического гидроксиапатита с желатин-глютаральдегидным покрытием, содержащим эпитоп (107-111) С-концевого домена ПТГрП. Через 4 недели по данным гистологических, генетических и микротомографических исследований зафиксировано увеличение объема костной ткани, размеров ее трабекул, кортикальной толщины, экспрессии гена остеокальцина и молекул адгезии сосудистых клеток, а также снижение экспрессии генов ингибиторов Wnt-сигнального пути и белка ингибирующего дифференцировку остеобластов (DKK-1), являющегося ключевым регулятором костного ремоделирования как в физиологических условиях, так и при патологических состояниях. Эти данные рассматриваются как доказательство целесообразности использования остеостатина в биоразлагаемых каркасах и свидетельствуют о том, что нанесение покрытия содержащего остеостатин придает остеогенные свойства мезопористым биоматериалам на основе диоксида кремния, используемых для восстановления костей.

В другом исследовании с использованием локальной доставки N-концевого (1-37) и С-концевого (107-111) доменов ПТГрП, нанесенных на имплант на основе гидроксиапатита изучали регенерацию костной ткани у старых крыс с диабетом, индуцированным инъекцией стрептозотоцина вскоре после рождения крысят, а также у старых крыс без диабета. И старение и наличие сахарного диабета связаны с увеличением ломкости костей и повышенным риском перелома. Оценивали эффективность введения пептидных фрагментов ПТГрП в состав покрытия для имплантов в область транскортикального дефекта большеберцовой кости. Гистологические и микрокомпьютеризированные томографические иссследования показали более выраженные нарушения структуры костной ткани у старых крыс с диабетом по сравнению с животными того же возраста контрольной группы. Через 4 недели после имплантации геля содержащего фрагменты ПТГрП в транскортикальных дефектах большеберцовой кости зафиксировано частичное восстановление кости. Заживления дефектов сопровождалось увеличением объема, а также трабекулярной и кортикальной толщины костной ткани в имплантатах у старых крыс с диабетом и в контрольной группе. Формирование вновь образованной костной ткани вокруг остеоинтегрированных имплантатов увеличивало генную экспрессию остеокальцина и фактора роста эндотелия сосудов (маркеров образования костной ткани и кровеносных сосудов). Полученные данные свидетельствуют о том, что локальная доставка ПТГрП (1-37) или ПТГрП (107-111) из биодеградирующегося имплантата является перспективным подходом для улучшения регенерации костной ткани у пожилых и пациентов с диабетом (Ardura J.A., et al., 2016).