دانشمندان روشی را برای بازسازی غضروف در مفاصل زانوی در حال پیری، حداقل در موش‌ها، با مهار پروتئینی که سطح آن با افزایش سن بالا می‌رود، شناسایی کرده‌اند. این رویکرد نه تنها تخریب طبیعی غضروف را در حیوانات مسن معکوس کرد، بلکه از موش‌ها در برابر ابتلا به آرتروز پس از آسیب‌های زانو مشابه پارگی رباط صلیبی در انسان‌ها محافظت نمود.
این یافته‌ها در بافت انسانی نیز امیدوارکننده بودند. نمونه‌های غضروفی جمع‌آوری شده حین جراحی‌های تعویض زانو به درمان پاسخ دادند و شروع به تولید غضروف جدید و کارآمد کردند.
در مجموع، نتایج نشان می‌دهد که غضروف آسیب‌دیده ناشی از پیری یا آرتروز ممکن است توانایی بیشتری برای ترمیم داشته باشد تا آنچه پیش‌تر تصور می‌شد. اگر این استراتژی در نهایت در انسان‌ها موثر واقع شود، پژوهشگران معتقدند می‌تواند منجر به توسعه یک داروی خوراکی یا تزریقی شود که غضروف را بازسازی کرده و نیاز به جراحی تعویض مفصل زانو یا لگن را کاهش دهد.
هدف‌گیری آسیب پشت پرده استئوآرتریت
استئوآرتریت یک بیماری تخریبی مفصل است که در آن غضروف به تدریج تجزیه شده و مفاصل دردناک، متورم و به طور فزاینده‌ای غیرقابل حرکت می‌شوند. این بیماری حدود یک پنجم بزرگسالان در ایالات متحده را تحت تأثیر قرار می‌دهد و تخمین زده می‌شود سالانه حدود ۶۵ میلیارد دلار هزینه مستقیم مراقبت‌های بهداشتی را به خود اختصاص دهد.
درمان‌های فعلی عمدتاً بر کنترل درد و سایر علائم تمرکز دارند. زمانی که بیماری شدید شود، جایگزینی جراحی مفصل آسیب‌دیده ممکن است تنها گزینه باقی‌مانده باشد. در حال حاضر هیچ دارویی وجود ندارد که بتواند به طور مطمئن روند استئوآرتریت را کند یا معکوس کند.
مطالعه هدایت شده توسط مرکز پزشکی استنفورد به جای آن، بر پروتئینی به نام ۱۵-PGDH تمرکز داشت. محققان آن را یک «جروزیم» (gerozyme) توصیف کرده‌اند؛ اصطلاحی برای آنزیم‌هایی که با افزایش سن فراوان‌تر شده و به از دست رفتن تدریجی عملکرد بافت کمک می‌کنند.
کار قبلی همین گروه نشان داده بود که ۱۵-PGDH به عنوان تنظیم‌کننده مهمی در پیری در چندین بافت عمل می‌کند. مهار این پروتئین با یک مولکول کوچک، توده عضلانی و استقامت را در موش‌های مسن افزایش داد. انجام کار مخالف، یعنی افزایش ۱۵-PGDH در حیوانات جوان، باعث کوچک شدن و ضعیف شدن عضلات آنها شد. این پروتئین همچنین با بازسازی سلول‌های استخوانی، عصبی و خونی مرتبط دانسته شده است.
در بسیاری از آن بافت‌ها، بهبودی به تکثیر سلول‌های بنیادی خاص بافت و تمایز آنها به سلول‌های تخصصی بستگی دارد. اما مشخص شد که غضروف رفتار متفاوتی دارد. به جای اتکا به سلول‌های بنیادی، سلول‌های غضروفی موجود که کندروسیت نامیده می‌شوند، الگوهای فعالیت ژنی خود را تغییر داده و به سمت حالت جوان‌تر حرکت کردند.
«این یک روش جدید برای بازسازی بافت بزرگسالان است و وعده بالینی قابل توجهی برای درمان آرتروز ناشی از پیری یا آسیب دارد»، به گفته هلن بلو، دکترای زیست‌شناسی و ایمونولوژی. «ما به دنبال سلول‌های بنیادی بودیم، اما آنها به وضوح درگیر نیستند. این بسیار هیجان‌انگیز است.»
بلو، که مدیریت آزمایشگاه بیولوژی سلول‌های بنیادی Baxter را بر عهده دارد و استاد بنیاد دونالد ای. و دلیا بی. Baxter است، و نیدی بوتانی، دکترای جراحی ارتوپدی، نویسندگان ارشد این تحقیق هستند که در مجله Science منتشر شد. مامتا سینگلا، دکترای آموزش جراحی ارتوپدی، و یو شین (ویل) وانگ، دکترای پژوهشگر فوق دکتری سابق، نویسندگان اصلی مطالعه هستند. وانگ اکنون استاد کمکی در مؤسسه Sanford Burnham در سن دیگو است.
«بازسازی چشمگیر» غضروف
«میلیون‌ها نفر با افزایش سن از درد و تورم مفاصل رنج می‌برند»، به گفته بوتانی. «این یک نیاز پزشکی بزرگ و برآورده نشده است. تاکنون هیچ دارویی وجود نداشته که مستقیماً علت از بین رفتن غضروف را درمان کند. اما این مهارکننده جروزیم باعث بازسازی چشمگیر غضروف می‌شود که فراتر از هر دارو یا مداخله دیگری گزارش شده است.»
همه غضروف‌ها یکسان نیستند. بدن انسان سه نوع اصلی غضروف دارد که هر کدام برای وظیفه‌ای متفاوت طراحی شده‌اند.
غضروف الاستیک نرم و انعطاف‌پذیر است و به تشکیل ساختارهایی مانند گوش خارجی کمک می‌کند. فیبروکارتیلاژ سخت‌تر است و برای جذب نیرو، از جمله در مناطق بین مهره‌های ستون فقرات، بهتر مناسب است. غضروف هیالین صاف و لغزنده است و اجازه می‌دهد استخوان‌ها در مفاصلی مانند مچ پا، لگن، شانه و بخش‌هایی از زانو با اصطکاک بسیار کم روی هم حرکت کنند.
در مفاصل، غضروف هیالین همچنین به عنوان غضروف مفصلی شناخته می‌شود. این نوعی است که معمولاً توسط استئوآرتریت آسیب می‌بیند.
استئوآرتریت می‌تواند هنگامی که مفاصل تحت فشار ناشی از پیری، آسیب یا چاقی قرار گیرند، توسعه یابد. کندروسیت‌ها شروع به تولید مولکول‌های التهابی می‌کنند و در عین حال کلاژن، یک پروتئین ساختاری که بخش زیادی از استحکام غضروف را تأمین می‌کند، را تجزیه می‌کنند.
با ناپدید شدن کلاژن، غضروف نازک‌تر و نرم‌تر می‌شود. التهاب تورم و درد را اضافه می‌کند و علائم آشنا استئوآرتریت را ایجاد می‌کند.
مشکل این است که غضروف مفصلی به طور معمول توانایی بسیار کمی برای ترمیم خود دارد. محققان سلول‌های بنیادی یا پیش‌ساز احتمالی قادر به تشکیل غضروف در استخوان را شناسایی کرده‌اند، اما تلاش‌ها برای یافتن جمعیت‌های سلولی مشابه در داخل خود غضروف مفصلی موفق نبوده است.
یک پروتئین پیری تبدیل به هدف می‌شود
تحقیقات قبلی از آزمایشگاه بلو نشان داد که مولکولی به نام پروستاگلاندین E2 برای عملکرد سلول‌های بنیادی عضلانی مهم است. پروتئین ۱۵-PGDH پروستاگلاندین E2 را تجزیه می‌کند.
مهار ۱۵-PGDH، یا افزایش سطوح پروستاگلاندین E2 به روش دیگر، نشان داده شده است که به بازسازی در عضله، اعصاب، استخوان، روده بزرگ، کبد و سلول‌های خونی آسیب‌دیده در موش‌های جوان کمک می‌کند.
این موضوع سؤالی مهم را برای بلو، بوتانی و همکارانشان مطرح کرد: آیا همان مسیر بیولوژیکی می‌تواند در تخریب غضروف با افزایش سن حیوانات یا بازیابی پس از آسیب نقش داشته باشد؟
محققان سطوح ۱۵-PGDH را در غضروف زانوی موش‌های جوان و مسن مقایسه کردند. آنها دریافتند که مقدار جروزیم با افزایش سن تقریباً دو برابر می‌شود.
سپس آنها به حیوانات مسن یک داروی مولکول کوچک طراحی شده برای مهار ۱۵-PGDH دادند. در یک آزمایش، دارو به شکم تزریق شد تا اثرات آن در کل بدن پخش شود. در آزمایش دیگر، مستقیماً به مفصل زانو تحویل داده شد.
هر دو رویکرد نتایج چشمگیری تولید کردند.
غضروف در زانوی حیوانات مسن به طور محسوسی نازک‌تر و کم‌کارآمدتر از غضروف در موش‌های جوان بود. با این حال، پس از درمان، ضخامت آن در کل سطح مفصل افزایش یافت.
مهم این بود که سلول‌ها در حال ساخت غضروف هیالین بودند، همان غضروف مفصلی صاف مورد نیاز برای حرکت سالم مفصل، نه فیبروکارتیلاژ که کمتر مناسب است.
«بازسازی غضروف تا این حد در موش‌های مسن ما را غافلگیر کرد»، به گفته بوتانی. «اثر آن قابل توجه بود.»
محافظت از زانوها پس از آسیب‌های رباط صلیبی
محققان همچنین تست کردند که آیا درمان می‌تواند پس از آسیب‌های تروماتیک زانو کمک کند.
پارگی رباط صلیبی قدامی (ACL) به ویژه در ورزش‌هایی مانند فوتبال، بسکتبال و اسکی رایج است، جایی که ورزشکاران اغلب چرخش ناگهانی، توقف ناگهانی یا پرش انجام می‌دهند. جراحی می‌تواند رباط پاره شده را ترمیم کند، اما اصلاح آسیب فوری لزوماً از آسیب بلندمدت مفصل جلوگیری نمی‌کند.
حدود ۵۰ درصد از افرادی که این آسیب‌ها را تجربه می‌کنند، در عرض تقریباً ۱۵ سال دچار استئوآرتریت در مفصل آسیب‌دیده می‌شوند.
در آزمایش‌های موشی، محققان مهارکننده جروزیم را دو بار در هفته به مدت چهار هفته پس از آسیب تجویز کردند. این درمان به طور چشمگیری احتمال ابتلای حیوانات به استئوآرتریت را کاهش داد.
موش‌هایی که داروی کنترل (دارونما) دریافت کردند، سطوح ۱۵-PGDH دو برابر حیواناتی داشتند که زانوی آنها آسیب ندیده بود و ظرف چهار هفته دچار استئوآرتریت شدند.
موش‌های درمان‌شده همچنین حرکت طبیعی‌تری داشتند و وزن بیشتری را روی پنجه متصل به پای آسیب‌دیده نسبت به حیوانات درمان‌نشده وارد می‌کردند.
«جالب است که پروستاگلاندین E2 در التهاب و درد نقش داشته است»، به گفته بلو. «اما این تحقیق نشان می‌دهد که در سطوح بیولوژیکی طبیعی، افزایش‌های جزئی پروستاگلاندین E2 می‌تواند بازسازی را ترویج کند.»
عمل کردن سلول‌های غضروفی پیر به صورت جوان‌تر
برای درک آنچه در داخل مفصل رخ می‌داد، محققان نگاه دقیق‌تری به کندروسیت‌های موش‌های جوان و مسن انداختند.
سلول‌های غضروفی مسن‌تر فعالیت بیشتری در ژن‌های مرتبط با التهاب و تبدیل ناخواسته غضروف هیالین به استخوان نشان دادند. در عین حال، ژن‌های درگیر در توسعه طبیعی غضروف فعالیت کمتری داشتند.
درمان آن تعادل را تغییر داد.
یک جمعیت از کندروسیت‌های قدیمی که ۱۵-PGDH تولید می‌کردند و ژن‌های مرتبط با تخریب غضروف را بیان می‌کردند، از ۸٪ سلول‌ها به ۳٪ کاهش یافت.
جمعیت دوم، که ۱۵-PGDH تولید نمی‌کرد اما ژن‌های مرتبط با تشکیل فیبروکارتیلاژ را بیان می‌کرد، از ۱۶٪ به ۸٪ افت کرد.
در همین حال، گروه سوم به شدت در جهت مخالف حرکت کرد. این سلول‌ها ۱۵-PGDH تولید نمی‌کردند و ژن‌های درگیر در تشکیل غضروف هیالین و حفظ ماتریکس خارج سلولی مورد نیاز برای عملکرد سالم غضروف را بیان می‌کردند. سهم آنها از ۲۲٪ به ۴۲٪ افزایش یافت.
ماتریکس خارج سلولی شبکه‌ای از پروتئین‌ها و سایر مولکول‌ها است که سلول‌ها را احاطه کرده و به بافت‌ها ساختار می‌بخشد. در غضروف، این ماتریکس به دلیل کمک به بافت برای مقاومت در برابر فشار در حالی که سطح صاف مورد نیاز مفاصل برای حرکت را حفظ می‌کند، بسیار مهم است.
به طور کلی، درمان به نظر می‌رسید غضروف را به سمت یک حالت بیولوژیکی جوان‌تر سوق می‌دهد بدون اینکه سلول‌های بنیادی یا پیش‌ساز را فراخوانی کند.
غضروف انسانی نیز پاسخ داد
محققان سپس غضروف برداشت شده از افراد مبتلا به استئوآرتریت که تحت جراحی کامل تعویض زانو بودند را بررسی کردند.
پس از یک هفته درمان با مهارکننده ۱۵-PGDH، بافت انسانی حاوی کندروسیت‌های کمتری بود که ۱۵-PGDH را بیان می‌کردند. فعالیت ژن‌های مرتبط با تخریب غضروف و فیبروکارتیلاژ نیز در مقایسه با بافت درمان‌نشده کاهش یافت.
مهم‌ترین نکته این بود که نمونه‌ها شروع به بازسازی غضروف مفصلی کردند.
«مکانیسم بسیار قابل توجه است و دیدگاه ما را درباره نحوه وقوع بازسازی بافت واقعاً تغییر داد»، به گفته بوتانی. «واضح است که حجم بزرگی از سلول‌های از قبل موجود در غضروف در حال تغییر الگوهای بیان ژن خود هستند. و با هدف قرار دادن این سلول‌ها برای بازسازی، ممکن است فرصتی برای داشتن تأثیر بالینی کلی بزرگ‌تر داشته باشیم.»
این یافته‌ها هنوز ثابت نمی‌کنند که درمان می‌تواند در انسان‌ها غضروف را دوباره رشد دهد یا استئوآرتریت را پیشگیری کند. نتایج موشی و آزمایش‌ها بر روی بافت انسانی شواهد اولیه مهمی را نشان می‌دهند، اما آزمایش‌های بالینی که به طور خاص بازسازی غضروف را آزمایش می‌کنند برای تعیین ایمنی و اثربخشی این رویکرد برای بیماران لازم خواهد بود.
یک مهارکننده خوراکی ۱۵-PGDH قبلاً برای یک مشکل مرتبط با پیری متفاوت: ضعف عضلانی، به مرحله آزمایش بالینی رسیده است.
بلو افزود: «آزمایش‌های بالینی فاز ۱ یک مهارکننده ۱۵-PGDH برای ضعف عضلانی نشان داده است که در داوطلبان سالم ایمن و فعال است. امید ما این است که آزمایش مشابهی به زودی برای تست اثر آن در بازسازی غضروف آغاز شود. ما بسیار هیجان‌زده هستیم از این پیشرفت بالقوه. تصور کنید غضروف موجود دوباره رشد کند و از تعویض مفصل اجتناب شود.»
پژوهشگران مؤسسه اکتشاف پزشکی Sanford Burnham Prebys در این کار مشارکت داشتند.
این مطالعه توسط موسسات ملی بهداشت (کمک‌های R01AR070864، R01AR077530، R01AG069858 و R00NS120278)، بنیاد Baxter برای بیولوژی سلول‌های بنیادی، بنیاد لی کا شینگ، مؤسسه قلبی عروقی استنفورد، بنیاد پژوهشی Milky Way، مؤسسات پژوهشی سلامت کانادا، یک کمک پایلوت پژوهش کاربردی و انتقالی استنفورد، یک بورس فوق دکتری Sir James Black GlaxoSmithKline، و یک بورس فوق دکتری رئیس دانشکده استنفورد تأمین مالی شد.
بلو، بوتانی و سایر هم‌نویسندگان مخترعان درخواست‌های ثبت اختراع نگهداری شده توسط دانشگاه استنفورد شامل مهار ۱۵-PGDH برای بازسازی غضروف و جوان‌سازی بافت هستند. آن درخواست‌ها به شرکت Epirium Bio مجوز داده شده‌اند. بلو یکی از بنیانگذاران Myoforte/Epirium است و سهام و گزینه‌های خرید سهام در شرکت را در اختیار دارد.