Мышечные дистрофии – это группа генетических заболеваний, которые приводят к прогрессирующей потере мышечной массы и функций у пациентов с неизлечимой мышечной дистрофией Дюшенна (МДД), которая поражает все мышцы тела, в первую очередь у мальчиков, и является особенно тяжелой. МДД может быть вызван более чем 7000 уникальных мутаций в крупнейшем гене человеческого генома, который кодирует центральный белок в мышечных волокнах. Хотя все это поразительное количество мутаций по-разному блокирует мышечную функцию, пораженные мышцы имеют еще одну общую черту – хроническое воспаление.
Поскольку хроническое воспаление значительно влияет на скорость и тяжесть мышечной дегенерации, исследователи применяют различные противовоспалительные подходы, которые можно применить к ослабляющимся мышцам пациентов с МДД. К настоящему времени стало ясно, что широкие, системно применяемые противовоспалительные методы лечения не могут достичь достаточной эффективности в отдельных мышцах и, кроме того, они могут быть токсичными для пациентов и увеличивать их риск инфекций. Чтобы преодолеть эти барьеры, методы лечения местного действия, которые можно было бы применять на месте в пораженных мышцах, имели бы значительные преимущества.
Теперь исследовательская группа из Гарвардского института биологической инженерии Висса и Джон А. Школа инженерии и прикладных наук Полсона (SEAS) под руководством члена-основателя Института Висс Дэвида Муни, доктора философии.D., разработал новый подход, в котором специально разработанные противовоспалительные наночастицы (НЧ) могут применяться локально и выборочно к хронически воспаленным мышцам, серьезно пораженным или подверженным более непосредственному риску ухудшения, и, возможно, труднодостижимым с помощью пероральных терапевтических средств. В усовершенствованной модели МДД на мышах эта стратегия увеличила объем мышц, покрытых миофибриллами, и улучшила мышечные функции за счет увеличения количества инфильтрирующих противовоспалительных регуляторных Т-клеток (Tregs). Результаты опубликованы в Science Advances.
Решение на основе биоматериала: разработка и проверка
"Используя доставку цитокинов на основе NP, мы можем создать терапевтический иммунный статус в мышцах, пораженных МДД, который нацелен на воспаление как универсальный драйвер заболевания," сказал Муни, который возглавляет платформу иммунных материалов Института Висса, а также является Робертом П. Семья Пинкасов, профессор биоинженерии в SEAS. "Учитывая локальную доставку высокоэффективного цитокина интерлейкина-4 (ИЛ-4), этот подход может быть разработан как самостоятельная терапия или в будущем может использоваться в сочетании с генетическими подходами, разработанными для исправления определенных мутаций МДД у пациентов."
Считается, что провоспалительные и противовоспалительные иммунные клетки, задействованные для истощения мышц и дальнейшей дифференциации в них, играют в активную игру перетягивания каната. Оба могут временно взять верх, когда мышцы проходят через непрерывные циклы травмы и регенерации миофибрилл, в то время как в долгосрочной перспективе травма всегда побеждает. Важно отметить, что идентичность и активность иммунных клеток контролируются про- и противовоспалительными цитокинами, иммуномодулирующими молекулами, которые высвобождаются иммунными или другими клетками в мышечной ткани.
В 2018 году команда Муни показала, что наночастицы золота (НЧ), представляющие противовоспалительный цитокин интерлейкин-4 (ИЛ-4), при локальном введении в остро поврежденные мышцы мышей могут улучшить силу мышц на 40% по сравнению с контрольными НЧ. НЧ были сконструированы таким образом, что ядерная НЧ из золота была частично покрыта слоем биосовместимого полимерного полиэтиленгликоля (ПЭГ). Затем к участкам поверхности НЧ, обнаруживаемым промежутками в покрытии, связывались (химически конъюгировались) молекулы цитокинов ИЛ-4, что позволяло им защищаться окружающим ПЭГ и оставаться биологически активными в течение длительного времени после их инъекции в мышечную ткань. и поглощение мышечными иммунными клетками.
Чтобы изучить влияние НЧ, несущих НЧ ИЛ-4, а также НЧ, несущих ИЛ-10 (противовоспалительный цитокин другого действия), на мышцы, пораженные МДД, исследователи использовали существующую модель мыши, известную как Mdx, которая несет специфический Мутация МДД обнаружена у людей. Поскольку дегенерация мышц происходит намного медленнее у мышей Mdx, чем у пациентов-людей, они разработали подход к микротравмам, при котором мышцы задних конечностей старых мышей Mdx неоднократно травмировались, чтобы ускорить прогрессирование заболевания у мышей и более точно имитировать болезнь человека. У мышей Mdx микротравма вызвала хроническое МДД-подобное воспаление и повреждение, которое сохранялось в течение нескольких недель.
Бодрящие мышцы с действием Т-лимфоцитов
Через одну неделю после завершения процедуры микротравмы они вводили НЧ ИЛ-4 (и НЧ ИЛ-10) непосредственно в хронически травмированную мышцу, а еще через две недели анализировали эффекты. "Цитокиновая терапия с ИЛ-4, но не с ИЛ-10, конъюгированным с НЧ, значительно увеличила площадь поперечных сечений, покрытых мышечными волокнами, а у живых животных обработанные мышцы показали четырехкратное увеличение силы сокращения и скорости (скорости) по сравнению с мышам в контрольных группах," сказал первый автор Тереза Раймондо, доктор философии.D., который выполнял эту работу в качестве аспиранта в группе Муни, а сейчас является научным сотрудником постдокторантуры в Массачусетском технологическом институте.
МДД становится наиболее опасным для жизни, когда поражаются диафрагма и сердечные мышцы. Команда надеется, что их стратегия однажды сможет помочь улучшить дыхание и функцию сердца у пациентов, хотя будущие исследования должны будут оценить эту возможность.
"Интересно, что мы могли списать регенеративные эффекты на конкретное увеличение Tregs, иммуносупрессивного типа Т-клеток, который, как известно, противодействует воспалительным процессам в мышцах, ослабленных МДД."
Команда наблюдала увеличение на 50% количества Treg в хронически травмированных мышцах старых мышей Mdx, в то время как количество других типов иммунных клеток, включая нейтрофилы, дендритные клетки, естественные клетки-киллеры, моноциты и макрофаги, оставалось неизменным с их NP- цитокиновая терапия на основе.
В частности, макрофаги в их противовоспалительном состоянии, называемом M2, также были предложены для участия в восстановлении мышечной силы и функции на моделях МДД у мышей, и ранее команда Муни обнаружила, что они играют ключевую роль в восстановлении остро поврежденных мышц у нормальных мышей. Однако в хронически воспаленных мышцах продвинутой модели Mdx, на которые в новом исследовании была направлена терапия IL-4 на основе NP, макрофаги M2 не внесли значительного вклада в терапевтический эффект. "Наши комбинированные результаты подчеркивают, что одна и та же цитокиновая терапия может достигать очень разных иммунологических результатов с терапевтическим воздействием на мышцы в зависимости от типа воспаления," сказал Муни.
"Этот подход, разработанный группой Дэйва Муни в Wyss Immuno-Material Initiative, может быть разработан в качестве альтернативного, стратегически применяемого решения для лечения пациентов с мышечной дистрофией Дюшенна, потерю мышечной массы и функции которых невозможно эффективно остановить никакими другими средствами. Тот же основной принцип цитокиновой терапии на основе NP может также иметь потенциал для множества других мышечных заболеваний, где воспаление является основной силой," сказал директор-основатель Wyss Дональд Ингбер, M.D., Ph.D., который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в Гарвардской медицинской школе и детской больнице Бостона и профессором биоинженерии в SEAS.