Ból pleców związany z dyskami może pewnego dnia spełnić swoje zadanie terapeutyczne: terapia genowa dostarczana przez nanonośniki pochodzenia naturalnego, która – jak pokazuje nowe badanie – naprawia uszkodzone dyski w kręgosłupie i zmniejsza objawy bólowe u myszy.

Naukowcy opracowali nanonośniki, wykorzystując mysie komórki tkanki łącznej zwane fibroblastami jako model komórek skóry i załadowali do nich materiał genetyczny w celu uzyskania białka kluczowego dla rozwoju tkanek. Zespół wstrzyknął roztwór zawierający nośniki do uszkodzonych dysków myszy w tym samym czasie, gdy wystąpił uraz pleców.

Oceniając wyniki w ciągu 12 tygodni, naukowcy odkryli na podstawie obrazowania, analizy tkanek oraz testów mechanicznych i behawioralnych, że terapia genowa przywróciła integralność strukturalną i funkcję zdegenerowanym dyskom oraz zmniejszyła oznaki bólu pleców u zwierząt.

„Mamy tę unikalną strategię, która jest w stanie zarówno regenerować tkanki, jak i hamować niektóre objawy bólu” – powiedziała współautorka Devina Purmessur Walter, profesor inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Stanowym Ohio.

Choć pozostaje jeszcze wiele do odkrycia, odkrycia sugerują, że terapia genowa może stanowić skuteczną i długotrwałą alternatywę dla opioidów w leczeniu wyniszczającego bólu pleców.

„Można to zastosować jednocześnie z zabiegiem chirurgicznym, aby faktycznie przyspieszyć gojenie samego dysku” – powiedziała współautorka Natalia Higuita-Castro, profesor nadzwyczajny inżynierii biomedycznej i chirurgii neurologicznej w Ohio State. „Twoje własne komórki faktycznie wykonują pracę i wracają do zdrowego stanu”.

Wyniki badania opublikowano niedawno w czasopiśmie internetowym Biomateriały.

Jak sugerują wcześniejsze badania, szacunkowo 40% przypadków bólu krzyża przypisuje się zwyrodnieniu miękkich krążków międzykręgowych, które absorbują wstrząsy i zapewniają elastyczność kręgosłupa. Chociaż odcięcie wypukłej tkanki z przepukliny dysku podczas operacji zazwyczaj zmniejsza ból, nie naprawia samego dysku, który z biegiem czasu ulega degeneracji.

„Po wyjęciu kawałka tkanka rozpręża się jak przebita opona” – powiedział Purmessur Walter. „Proces chorobowy trwa i wpływa na pozostałe dyski po obu stronach, ponieważ tracisz ciśnienie, które jest krytyczne dla funkcjonowania kręgosłupa. Lekarze nie mają dobrego sposobu, aby sobie z tym poradzić.”

To nowe badanie opiera się na wcześniejszych pracach przeprowadzonych w laboratorium Higuita-Castro, które rok temu poinformowało, że nanonośniki zwane pęcherzykami zewnątrzkomórkowymi obciążonymi ładunkiem przeciwzapalnym ograniczają uszkodzenia tkanek w uszkodzonych płucach myszy. Zaprojektowane nośniki są replikami naturalnych pęcherzyków zewnątrzkomórkowych, które krążą w ludzkim krwiobiegu i płynach biologicznych, przenosząc wiadomości między komórkami.

Aby utworzyć pęcherzyki, naukowcy przykładają ładunek elektryczny do komórki dawcy, aby przejściowo otworzyć dziury w jej błonie i dostarczyć do wnętrza uzyskane z zewnątrz DNA, które przekształca się w określone białko, a także cząsteczki, które powodują wytwarzanie jeszcze większej ilości funkcjonalnego białka .

W tym badaniu ładunek składał się z materiału umożliwiającego produkcję „pionierskiego” białka czynnika transkrypcyjnego zwanego FOXF1, które jest ważne w rozwoju i wzroście tkanek.

„Nasza koncepcja podsumowuje rozwój: ekspresja FOXF1 następuje podczas rozwoju i w zdrowej tkance, ale jej ilość zmniejsza się wraz z wiekiem” – powiedział Purmessur Walter. „Zasadniczo staramy się oszukać komórki i dać im impuls do powrotu do stanu rozwojowego, kiedy rosną i są najzdrowsze”.

W eksperymentach myszy z uszkodzonymi dyskami leczone nanonośnikami FOXF1 porównywano z uszkodzonymi myszami, którym podano sól fizjologiczną lub próbnymi nanonośnikami, oraz myszami nieuszkodzonymi.

W porównaniu z grupą kontrolną, dyski myszy otrzymujących terapię genową wykazały szereg ulepszeń: tkanka ponownie się wypełniła i stała się bardziej stabilna dzięki produkcji białka zatrzymującego wodę i inne białka macierzy, co pomaga w promowaniu zakresu ruchu, przenoszenia obciążenia i elastyczności w kręgosłupie. Testy behawioralne wykazały, że terapia zmniejszyła objawy bólu u myszy, chociaż reakcje te różniły się w zależności od płci – samce i samice wykazywały różny poziom podatności na ból w zależności od ocenianego rodzaju ruchu.

Odkrycia wskazują na wartość wykorzystania uniwersalnych dorosłych komórek dawców do opracowania terapii pęcherzykami zewnątrzkomórkowymi, twierdzą naukowcy, ponieważ nie niosą one ze sobą ryzyka wywołania odpowiedzi immunologicznej. W idealnym przypadku terapia genowa funkcjonowałaby również jako jednorazowe leczenie – terapeutyczny prezent, który wciąż daje.

„Idea przeprogramowania komórki polega na tym, że ulega ekspresji ten czynnik transkrypcyjny, a następnie komórka przechodzi do zdrowszego stanu i pozostaje wierna zdrowszemu fenotypowi – a konwersja ta zwykle nie jest przejściowa” – powiedziała Higuita-Castro. „Więc teoretycznie nie należy spodziewać się konieczności znacznego ponownego dawkowania”.

Przed nami dalsze eksperymenty sprawdzające wpływ innych czynników transkrypcyjnych, które przyczyniają się do rozwoju krążka międzykręgowego. A ponieważ w pierwszym badaniu wykorzystano młode dorosłe myszy, zespół planuje także przetestować skuteczność terapii na starszych zwierzętach, co będzie modelem zwyrodnienia związanego z wiekiem, a ostatecznie przeprowadzić badania kliniczne na większych zwierzętach, o których wiadomo, że mają problemy z plecami.

Higuita-Castro, dyrektor ds. zaawansowanych terapii i inżynierii w College of Medicine Davis Heart and Lung Research Institute oraz główny członek wydziału Instytutu Terapii Genowej w Ohio, oraz Purmessur Walter, badacz w Instytucie Badań nad Kręgosłupem w Ohio i dyrektor Spinal Therapeutics Laboratory w College of Engineering są współgłównymi badaczami korzystającymi z grantów Narodowego Instytutu Zdrowia finansujących te badania.

Dodatkowi współautorzy to współpierwsi autorzy Shirley Tang i Ana Salazar-Puerta, Mary Heimann, Kyle Kuchynsky, María Rincon-Benavides, Mia Kordowski, Gilian Gunsch, Lucy Bodine, Khady Diop, Connor Gantt, Safdar Khan, Anna Bratasz, Olga Kokiko-Cochran, Julie Fitzgerald i Benjamin Walter, wszyscy ze stanu Ohio; Damien Laudier z Icahn School of Medicine na górze Synaj; i Judith Hoyland z Uniwersytetu w Manchesterze.

Stan Ohio złożył wniosek patentowy na niewirusową terapię genową do minimalnie inwazyjnego leczenia bolesnych schorzeń układu mięśniowo-szkieletowego.