טיפול פורץ דרך מרפא פציעות בעמוד השדרה

בנובמבר 2021, חוקרים מאוניברסיטת נורת'ווסטרן הציגו טיפול חדש להזרקה, שרתם "מולקולות רוקדות" נעות במהירות כדי לתקן רקמות ולהפוך שיתוק לאחר פציעות קשות בחוט השדרה.

כעת, אותה קבוצת מחקר יישמה את האסטרטגיה הטיפולית על תאי סחוס אנושיים פגומים. במחקר החדש, הטיפול הפעיל את ביטוי הגנים הדרוש לחידוש הסחוס תוך ארבע שעות בלבד. ולאחר שלושה ימים בלבד, התאים האנושיים ייצרו רכיבי חלבון הדרושים להתחדשות הסחוס.

החוקרים מצאו גם שככל שהתנועה המולקולרית גדלה, כך גם יעילות הטיפול עלתה. במילים אחרות, תנועות ה"ריקוד" של המולקולות היו קריטיות להפעלת תהליך צמיחת הסחוס.

המחקר פורסם ב-26 ביולי 2024 ב- כתב העת של האגודה האמריקנית לכימיה.

כאשר צפינו לראשונה בהשפעות טיפוליות של מולקולות רוקדות, לא ראינו שום סיבה לכך שזה יחול רק על חוט השדרה. כעת, אנו רואים את ההשפעות בשני סוגי תאים המנותקים לחלוטין אחד מהשני -; תאי סחוס במפרקים שלנו ונוירונים במוח ובחוט השדרה שלנו. זה גורם לי להיות בטוח יותר שאולי גילינו תופעה אוניברסלית. זה יכול לחול על רקמות רבות אחרות".

סמואל I. Stupp, מוביל מחקר ופרופסור, אוניברסיטת נורת'ווסטרן

מומחה בננו-רפואה רגנרטיבית, סטאפ הוא מועצת הנאמנים פרופסור למדע והנדסת חומרים, כימיה, רפואה והנדסה ביו-רפואית ב-Northwestern, שם הוא המנהל המייסד של מכון סימפסון קווירי לביו-ננוטכנולוגיה והמרכז המסונף אליו, המרכז לננו-רפואה רגנרטיבית. לסטאפ יש מינויים בבית הספר להנדסה מקורמיק, מכללת ויינברג לאמנויות ומדעים ובבית הספר לרפואה של פיינברג. שלבי יואן, סטודנטית לתואר שני במעבדת סטאפ, הייתה המחברת הראשית של המחקר.

בעיה גדולה, מעט פתרונות

נכון לשנת 2019, כמעט 530 מיליון אנשים ברחבי העולם חיו עם דלקת מפרקים ניוונית, על פי ארגון הבריאות העולמי. מחלה ניוונית שבה רקמות במפרקים מתפרקות עם הזמן, דלקת מפרקים ניוונית היא בעיה בריאותית נפוצה וגורם מוביל לנכות.

בחולים עם דלקת מפרקים ניוונית חמורה, הסחוס יכול להישחק כל כך דק שמפרקים הופכים למעשה לעצם על עצם -; בלי כרית ביניהם. לא רק שזה כואב להפליא, המפרקים של החולים גם אינם יכולים לתפקד כראוי. בשלב זה, הטיפול היעיל היחיד הוא ניתוח החלפת מפרקים, שהוא יקר ופולשני.

"הטיפולים הנוכחיים שואפים להאט את התקדמות המחלה או לדחות החלפת מפרקים בלתי נמנעת", אמר סטאפ. "אין אפשרויות התחדשות כי לבני אדם אין יכולת אינהרנטית לחדש סחוס בבגרות."

מהן 'מולקולות רוקדות'?

סטאפ וצוותו טענו ש"מולקולות רוקדות" עשויות לעודד את הרקמה העקשנית להתחדש. הומצאו בעבר במעבדה של סטאפ, מולקולות רוקדות הן מכלולים היוצרים ננו-סיבים סינתטיים הכוללים עשרות עד מאות אלפי מולקולות עם אותות חזקים לתאים. על ידי כוונון התנועות הקולקטיביות שלהם באמצעות המבנה הכימי שלהם, סטאפ גילה שהמולקולות הנעות יכולות למצוא במהירות ולהתחבר כראוי עם קולטנים תאיים, שגם נמצאים בתנועה מתמדת וצפופים מאוד על קרומי התא.

ברגע שהם נכנסים לגוף, הננו-סיביים מחקים את המטריצה ​​החוץ-תאית של הרקמה הסובבת. על ידי התאמת מבנה המטריצה, חיקוי התנועה של מולקולות ביולוגיות ושילוב אותות ביו-אקטיביים עבור הקולטנים, החומרים הסינתטיים מסוגלים לתקשר עם תאים.

"קולטנים סלולריים נעים כל הזמן", אמר סטאפ. "על ידי גורם למולקולות שלנו לנוע, 'לרקוד' או אפילו לזנק באופן זמני מתוך המבנים הללו, הידועים כפולימרים על-מולקולריים, הם מסוגלים להתחבר בצורה יעילה יותר עם קולטנים".

התנועה חשובה

במחקר החדש, סטאפ וצוותו בחנו את הקולטנים עבור חלבון ספציפי קריטי ליצירת סחוס ותחזוקה. כדי למקד את הקולטן הזה, הצוות פיתח פפטיד מעגלי חדש המחקה את האות הביו-אקטיבי של החלבון, הנקרא Transing factor growth beta-1 (TGFb-1).

לאחר מכן, החוקרים שילבו את הפפטיד הזה בשתי מולקולות שונות המקיימות אינטראקציה כדי ליצור פולימרים על-מולקולריים במים, כל אחת עם אותה יכולת לחקות TGFb-1. החוקרים תכננו פולימר על-מולקולרי אחד עם מבנה מיוחד שאיפשר למולקולות שלו לנוע בחופשיות רבה יותר בתוך המכלולים הגדולים. הפולימר העל-מולקולרי האחר, לעומת זאת, הגביל את התנועה המולקולרית.

"רצינו לשנות את המבנה כדי להשוות בין שתי מערכות השונות במידת התנועה שלהן", אמר סטאפ. "עוצמת התנועה העל-מולקולרית באחד גדולה בהרבה מהתנועה בשנייה."

למרות ששני הפולימרים חיקו את האות להפעלת הקולטן TGFb-1, הפולימר עם מולקולות נעות במהירות היה הרבה יותר יעיל. במובנים מסוימים, הם היו יעילים אפילו יותר מהחלבון שמפעיל את הקולטן TGFb-1 בטבע.

"לאחר שלושה ימים, התאים האנושיים שנחשפו למכלולים הארוכים של מולקולות ניידות יותר ייצרו כמויות גדולות יותר של רכיבי החלבון הדרושים להתחדשות הסחוס", אמר סטאפ. "ליצור אחד המרכיבים במטריצת הסחוס, המכונה קולגן II, המולקולות המרקדות המכילות את הפפטיד המחזורי המפעיל את הקולטן TGF-beta1 היו יעילות אפילו יותר מהחלבון הטבעי שיש לו תפקיד זה במערכות ביולוגיות".

מה הלאה?

הצוות של סטאפ בודק כעת מערכות אלו במחקרים בבעלי חיים ומוסיף אותות נוספים ליצירת טיפולים ביו-אקטיביים ביותר.

"עם הצלחת המחקר בתאי סחוס אנושיים, אנו צופים כי התחדשות הסחוס תשתפר מאוד כאשר נעשה שימוש במודלים פרה-קליניים בעלי תרגום גבוה", אמר סטאפ. "זה אמור להתפתח לחומר ביו-אקטיבי חדש לחידוש רקמת הסחוס במפרקים".

המעבדה של סטאפ בודקת גם את היכולת של מולקולות רוקדות לחדש עצם -; וכבר יש לו תוצאות מוקדמות מבטיחות, שככל הנראה יתפרסמו בהמשך השנה. במקביל, הוא בודק את המולקולות באורגנואידים אנושיים כדי להאיץ את תהליך הגילוי והאופטימיזציה של חומרים טיפוליים.

הצוות של סטאפ גם ממשיך לבנות את התביעה שלו למינהל המזון והתרופות, במטרה לקבל אישור לניסויים קליניים כדי לבדוק את הטיפול לתיקון חוט השדרה.

"אנחנו מתחילים לראות את רוחב התנאים האדיר שהתגלית הבסיסית הזו על 'מולקולות רוקדות' יכולה לחול עליהם", אמר סטאפ. "נראה כי שליטה בתנועה על-מולקולרית באמצעות עיצוב כימי היא כלי רב עוצמה להגברת היעילות של מגוון טיפולים רגנרטיביים."

המחקר, "תנועה על-מולקולרית מאפשרת פעילות ביולוגית כונדרוגנית של חיקוי פפטיד מחזורי של גורם גדילה משתנה-β1", נתמך במתנה של מייק ומרי סו שאנון לאוניברסיטת נורת'ווסטרן למחקר על התחדשות שרירים ושלד במרכז לננו-רפואה רגנרטיבית של סימפסון מכון קווירי לביו-ננוטכנולוגיה.