Žmogaus, sergančio trapių kaulų liga, gyvenimas kupinas komplikacijų. Pakanka menkiausio klaidos, iš pažiūros nekenksmingo kritimo ar net vieno klaidingo judesio, kad jie liktų su sulaužyta ranka ar koja. Tikėtina, kad tai kartosis pakartotinai, nes jie gimė su paveldėtu genetiniu defektu, dėl kurio jų kaulai tampa itin trapūs ir dažnai siejami su fizine deformacija. Žymūs trapių kaulų liga sergantys žmonės yra vokiečių rašytojas ir aktorius Peteris Radtke ir prancūzų džiazo pianistas Michelis Petrucciani.
Daugeliu atvejų žmogaus kaulai trapūs yra geno, turinčio I tipo kolageno baltymo planą, mutacija. Tai pats svarbiausias baltymas kietajai kaulo matricai sukurti.
Žmonės, sergantys šia liga, turi genetinį defektą, kuris neleidžia šiam kolageno baltymui tinkamai susilankstyti, todėl jiems lieka nestabili kaulų matrica ir trapūs kaulai. Tinkamas trapių kaulų ligos pavadinimas yra osteogenesis imperfecta arba sutrumpintai OI.
Porėtos matricos struktūra
Iki šiol mokslininkai turėjo tik pradinį supratimą apie tai, kaip kolageno baltymo mutacijos sutrikdo kaulo matricos formavimąsi, taip pat apie tai, kaip gydyti šiuos apsigimimus. Tačiau dabar ETH Ciuricho Biomechanikos instituto mokslininkų grupė žengė svarbų žingsnį atsakydama į šiuos klausimus.
Komandai vadovauja Xiao-Hua Qin, biomedžiagų inžinerijos profesorius, bendradarbiaudamas su kolega ETH profesoriumi Ralphu Mülleriu. Kartu jie sukūrė 3D in vitro modelį, leidžiantį išsamiau ištirti kaulų formavimąsi – šiuo metu naudojant sveikas ląsteles, o ateityje ir iš žmonių, kenčiančių nuo OI, ląsteles.
Tyrėjai žurnale praneša apie savo pažangą Gamtos komunikacijos.
Šis naujas kaulo modelis yra pagrįstas porėta matrica arba struktūra, pagaminta iš sintetinio polimero. Šioje matricoje, sudarytoje iš minkšto hidrogelio, kaulą sudarančios ląstelės (osteoblastai) gali nusėsti, daugintis ir jungtis viena su kita bei jų atžalomis, sudarydamos trimatį tinklą.
Vystymo metu mokslininkai išsiaiškino, kad idealus porų dydis yra nuo 5 iki 20 mikrometrų: pakankamai platus, kad ląstelės galėtų nusėsti ir daugintis, tačiau pakankamai siauros, kad jos neišbėgtų.
Kurdami savo hidrogelį, mokslininkai rėmėsi nervinių ląstelių in vitro modeliais. „Akytieji hidrogeliai suteikia neuronams ypač palankią aplinką dirbtiniams tinklams formuoti“, – sako Qin.
Tačiau netrukus paaiškėjo, kad kaulo pirmtakų ląstelės vienu atžvilgiu „reaguoja visiškai kitaip“: nors joms taip pat reikalinga porėta matrica, ši matrica turi būti biologiškai skaidoma. Taigi mokslininkai aprūpino savo hidrogelį vadinamuoju peptidiniu kryžminiu jungikliu, kurį gali suskaidyti matricos metaloproteinazės (MMP) fermentas. Tai savo ruožtu leidžia ląstelėms gaminti brandesnes kolageno skaidulas. MMP yra būtini daugeliui kūno procesų, vienas iš jų yra kaulų formavimasis.
Tačiau norėdami užtikrinti, kad kaulų ląstelės galėtų augti ir tinkamai susijungti, tyrėjai pirmiausia turėjo išspręsti dar vieną problemą.
„Kaulų vystymosi ir kaulų remodeliavimo tyrimas apima mechanišką ląstelių stimuliavimą“, – sako Doris Zauchner, Qin grupės doktorantė ir pagrindinė tyrimo straipsnio autorė. Tyrėjai ant lusto uždėjo hidrogelį su įterptomis ląstelėmis ir per poras nukreipė skystį.
„Šis skystis veikia ląsteles kirpimo jėgomis”, – sako Zauchneris, kuris yra svarbus ląstelių funkcijai. Taip pat įrodyta, kad skystis, pernešantis maistines medžiagas ir cheminius pasiuntinius, mechaniškai stimuliuoja ląsteles sveikų kaulų porose.
Modelis labai panašus į įprastą kaulų formavimąsi
Kaip tyrėjai aprašo savo darbe, jų kaulų modelis su biologiškai skaidoma hidrogelio matrica ir mechanine stimuliacija gali sėkmingai imituoti kaulų vystymąsi. Osteoblastai dauginasi ir kai kuriais atvejais netgi išsivysto į nesubrendusius osteocitus (kurie sudaro 90 % sveikų kaulų ląstelių); jie išskiria kolageną ir gali mineralizuoti matricą.
„Tai gali būti tik modelis, – sako Zauchneris, – bet jis labai panašus į įprastą kaulų vystymąsi.” Dabar, kai jie patentavo savo modelį, mokslininkai planuoja padaryti jį prieinamą potencialiems pramonės partneriams.
Palyginti su ankstesniais kaulų formavimo modeliais, naujasis lusto in vitro modelis turi daug privalumų. Šių pirmtakų modelių poros buvo arba per siauros, todėl ląstelės vos turėjo erdvės manevruoti, arba per plačios, kad nesusidarytų joks trimatis tinklas.
Be to, kadangi šie modeliai naudojo kolageną savo matricos struktūrai, nebuvo įmanoma ištirti, ar pačios ląstelės gamina kolageną ir, jei taip, kiek. Kadangi modelis yra pakankamai mažas, kad tilptų į lustą, mokslininkai gali jį naudoti, net jei turi tik kelias paciento ląsteles.
Bandymų su gyvūnais pakeitimas
Iki šiol pagrindinė OI tyrimo priemonė buvo pasikliauti gyvūnų modeliais. Zauchneris pažymi, kad yra daugiau nei 20 skirtingų, vieni naudoja peles, kiti – žuvis ar net šunis. „Eksperimentai su gyvūnais susiję su daugybe apribojimų“, – sako ji, iš kurių pagrindinis yra tai, kad jie yra labai brangūs.
„Štai kodėl mes stengiamės sukurti OI in vitro modelį. Mūsų tikslas yra įterpti OI turinčių žmonių ląsteles į hidrogelį, siekiant išsiaiškinti, kurie procesai veikia netinkamai.” Zauchneris yra pasirengęs pradėti pirmuosius eksperimentus, naudodamas jauno OI paciento ląsteles Ciuricho vaikų ligoninėje.
OI projektas yra Šveicarijos nacionalinės tyrimų programos „Advancing 3R“ dalis. Pagrindinis jos tikslas – ištirti, kaip pritaikyti 3R metodą – pakeisti, sumažinti ir tobulinti eksperimentuose su gyvūnais.
Qin grupė siekia įgyti geresnį bendrą supratimą apie procesus, reguliuojančius kaulų formavimąsi, vystymąsi ir degradaciją. Šiuo tikslu grupės veikla neapsiriboja naujuoju OI modeliu. Kitame projekte, už kurį Qin neseniai buvo suteikta prestižinė ERC starto stipendija, komanda kuria degeneracinių kaulų ligų, tokių kaip osteoporozė, modelį. Čia daugiausia dėmesio skiriama osteocitams, kurie yra galutinai diferencijuotos kaulų ląstelės.
„Norime panaudoti trimačius žmogaus ląstelių tinklus, kad sukurtume kaulų vystymosi modelį in vitro“, – sako Qin. Niekas to dar nesugebėjo, išskyrus galbūt jo paties komandą. „Modelyje, kurį ką tik pristatėme, radome nesubrendusių osteocitų ir osteoblastų.