«مولکول‌های رقصنده» آسیب غضروف را درمان می‌کنند

به گزارش مجله خبری نگار، در نوامبر ۲۰۲۱، محققان دانشگاه نورث وسترن یک روش تزریقی جدید ارائه دادند که از «مولکول‌های رقصنده» سریع برای ترمیم بافت و معکوس کردن فلج پس از آسیب‌های شدید نخاعی استفاده می‌کند.

اکنون، همان تیم تحقیقاتی این استراتژی درمانی را بر روی سلول‌های غضروف آسیب‌دیده انسان اعمال کرده‌اند. در مطالعه جدید، این درمان بیان ژن مورد نیاز برای بازسازی غضروف را تنها در چهار ساعت فعال کرد؛ و تنها پس از سه روز، سلول‌های انسانی اجزای پروتئینی مورد نیاز برای بازسازی غضروف را تولید کردند.

محققان همچنین دریافتند که با افزایش حرکت مولکولی، اثربخشی درمان نیز افزایش می‌یابد. به عبارت دیگر، حرکات «رقص‌گونه» مولکول‌ها برای تحریک فرآیند رشد غضروف بسیار مهم است. این مطالعه در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شد.

ساموئل آی. استاپ از دانشگاه نورث وسترن، که رهبری این مطالعه را بر عهده داشت، گفت: «وقتی برای اولین بار اثرات درمانی مولکول‌های رقصنده را مشاهده کردیم، هیچ دلیلی نمی‌دیدیم که چرا باید فقط در نخاع اعمال شود. اکنون ما اثراتی را در دو نوع سلول کاملاً مجزا از یکدیگر می‌بینیم - سلول‌های غضروفی در مفاصل ما و نورون‌های مغز و نخاع ما. این باعث می‌شود که من بیشتر مطمئن شوم که ممکن است یک پدیده جهانی را کشف کرده باشیم. این می‌تواند در بسیاری از بافت‌های دیگر نیز اعمال شود.»

طبق گزارش سازمان بهداشت جهانی، تا سال ۲۰۱۹، حدود ۵۳۰ میلیون نفر در سراسر جهان به آرتروز مبتلا بوده‌اند. آرتروز یک بیماری دژنراتیو است که در آن بافت مفصل به مرور زمان تجزیه می‌شود و یک مشکل شایع سلامتی و علت اصلی ناتوانی است.

در بیماران مبتلا به آرتروز شدید، غضروف می‌تواند آنقدر نازک شود که مفاصل اساساً به استخوان روی استخوان تبدیل شوند - بدون اینکه بالشتکی بین آنها وجود داشته باشد. این نه تنها فوق‌العاده دردناک است، بلکه مفاصل بیماران دیگر نمی‌توانند به درستی عمل کنند. در این مرحله، تنها درمان مؤثر، جراحی تعویض مفصل است که گران و تهاجمی است.

استپ گفت: «درمان‌های فعلی با هدف کاهش سرعت پیشرفت بیماری یا به تأخیر انداختن تعویض اجتناب‌ناپذیر مفصل انجام می‌شوند. هیچ گزینه‌ی بازسازی وجود ندارد، زیرا انسان‌ها توانایی ذاتی برای بازسازی غضروف در بزرگسالی ندارند.»

استاپ و تیمش این فرضیه را مطرح کردند که «مولکول‌های رقصنده» می‌توانند بافت‌های سرسخت را برای بازسازی تحریک کنند. مولکول‌های رقصنده که قبلاً در آزمایشگاه استاپ اختراع شده بودند، مجموعه‌ای از نانوفیبر‌های مصنوعی متشکل از ده‌ها یا صد‌ها هزار مولکول با سیگنال‌های قدرتمند برای سلول‌ها هستند. استاپ با تنظیم حرکات جمعی آنها از طریق ساختار شیمیایی‌شان، دریافت که مولکول‌های متحرک می‌توانند به سرعت گیرنده‌های سلولی را پیدا کرده و به درستی با آنها تعامل داشته باشند، که آنها نیز در حرکت مداوم هستند و به شدت روی غشا‌های سلولی تجمع دارند.

نانوالیاف پس از ورود به بدن، ماتریکس خارج سلولی بافت اطراف را تقلید می‌کنند. با تطبیق ساختار ماتریکس، تقلید حرکت مولکول‌های زیستی و گنجاندن سیگنال‌های زیست‌فعال برای گیرنده‌ها، مواد مصنوعی قادر به برقراری ارتباط با سلول‌ها هستند.

استاپ گفت: «گیرنده‌های سلولی دائماً در حال حرکت هستند. با وادار کردن مولکول‌های ما به حرکت، «رقص» یا حتی پرش موقت از این ساختارها، که به عنوان پلیمر‌های فرامولکولی شناخته می‌شوند، آنها قادرند به طور مؤثرتری به گیرنده‌ها متصل شوند.»

در مطالعه جدید، استاپ و تیمش به گیرنده‌ها روی آوردند تا پروتئین خاصی را پیدا کنند که برای تشکیل و نگهداری غضروف حیاتی است. برای هدف قرار دادن این گیرنده، تیم یک پپتید حلقوی جدید طراحی کرد که سیگنال زیست‌فعالی را از پروتئینی به نام فاکتور رشد تبدیل‌کننده بتا-۱ (TGFb-۱) تقلید می‌کند.

محققان سپس این پپتید را در دو مولکول مختلف که برای تشکیل پلیمر‌های فرامولکولی در آب با هم تعامل دارند، گنجاندند که هر کدام توانایی یکسانی در تقلید از TGFb-۱ دارند. محققان یک پلیمر فرامولکولی را با ساختار ویژه‌ای طراحی کردند که به مولکول‌های آن اجازه می‌داد آزادانه‌تر در مجموعه‌های بزرگتر حرکت کنند. با این حال، پلیمر فرامولکولی دیگر حرکت مولکولی را محدود می‌کرد.

استاپ گفت: «ما می‌خواستیم ساختار را تغییر دهیم تا دو سیستم را که از نظر درجه حرکتشان متفاوت هستند، مقایسه کنیم. شدت حرکت ابرمولکولی در یکی بسیار بیشتر از حرکت در دیگری است.»

اگرچه هر دو پلیمر سیگنال فعال‌سازی گیرنده TGFb-۱ را تقلید کردند، اما پلیمری که مولکول‌های سریع‌الحرکت داشت، بسیار مؤثرتر بود. از برخی جهات، آنها حتی از پروتئینی که گیرنده TGFb-۱ را در طبیعت فعال می‌کند، مؤثرتر بودند.

استاپ گفت: «پس از سه روز، سلول‌های انسانی که در معرض تجمع طولانی‌مدت مولکول‌های متحرک‌تر قرار گرفتند، مقادیر بیشتری از اجزای پروتئینی مورد نیاز برای بازسازی غضروف تولید کردند. برای تولید یکی از اجزای ماتریکس غضروف، که به عنوان کلاژن II شناخته می‌شود، مولکول‌های رقصنده که حاوی یک پپتید حلقوی هستند که گیرنده TGF-beta۱ را فعال می‌کند، حتی از پروتئین طبیعی که این عملکرد را در سیستم‌های بیولوژیکی انجام می‌دهد، مؤثرتر بودند.»

تیم استاپ اکنون در حال آزمایش این سیستم‌ها در مطالعات حیوانی و افزودن سیگنال‌های اضافی برای ایجاد درمان‌های بسیار زیست‌فعال است.

استاپ گفت: «با موفقیت این مطالعه در سلول‌های غضروف انسان، پیش‌بینی می‌کنیم که بازسازی غضروف هنگام استفاده در مدل‌های پیش‌بالینی با قابلیت انتقال بالا، به طور قابل توجهی بهبود یابد. این باید به یک ماده زیست‌فعال جدید برای بازسازی بافت غضروف در مفاصل تبدیل شود.»

آزمایشگاه استاپ همچنین در حال آزمایش توانایی مولکول‌های رقصنده در بازسازی استخوان است - با نتایج اولیه امیدوارکننده‌ای که احتمالاً اواخر امسال منتشر خواهد شد. او همچنین در حال آزمایش مولکول‌ها در ارگانوئید‌های انسانی است تا کشف و بهینه‌سازی مواد درمانی را سرعت بخشد.

تیم استاپ همچنین همچنان در حال ارائه درخواست خود به سازمان غذا و دارو است و به دنبال تأیید آزمایش‌های بالینی برای آزمایش این روش درمانی ترمیم نخاع است.

استاپ گفت: «ما کم‌کم داریم طیف وسیعی از شرایط را می‌بینیم که این کشف بنیادی «مولکول‌های رقصنده» می‌تواند در آنها به کار گرفته شود. کنترل حرکت ابرمولکولی از طریق طراحی شیمیایی، ابزاری قدرتمند برای بهبود اثربخشی طیف وسیعی از درمان‌های احیاکننده به نظر می‌رسد.»