Potentielle Arthrosebehandlung beugt Knorpelabbau vor: Injizierbares Material aus nanoskaligen Partikeln kann Arthritis-Medikamente im gesamten Knorpel verteilen

Osteoarthritis, eine Krankheit, die starke Gelenkschmerzen verursacht, betrifft mehr als 20 Millionen Menschen in den Vereinigten Staaten. Einige medikamentöse Behandlungen können helfen, die Schmerzen zu lindern, Es gibt jedoch keine Behandlungen, die den mit der Krankheit verbundenen Knorpelabbau umkehren oder verlangsamen können.

Ein Fortschritt, der die Behandlungsoptionen für Arthrose verbessern könnte, MIT-Ingenieure haben ein neues Material entwickelt, das Medikamente direkt an den Knorpel verabreichen kann. Das Material kann tief in den Knorpel eindringen, Abgabe von Medikamenten, die möglicherweise beschädigtes Gewebe heilen könnten.

Sechs Tage nach der Behandlung mit IGF-1, getragen von Dendrimer-Nanopartikeln (Blau), die Partikel sind durch den Knorpel des Kniegelenks eingedrungen. Bild: Brett Geiger und Jeff Wyckoff

„Auf diese Weise gelangen wir direkt zu den geschädigten Zellen, und führen verschiedene Arten von Therapeutika ein, die ihr Verhalten ändern könnten,“, sagt Paula Hammond, Leiter der MIT-Abteilung für Chemieingenieurwesen, Mitglied des MIT-Koch-Institut für Integrative Cancer Research, und der leitende Autor der Studie.

In einer Studie an Ratten, Die Forscher zeigten, dass die Abgabe eines experimentellen Medikaments namens insulinähnlicher Wachstumsfaktor 1 (IGF-1) Mit diesem neuen Material konnte der Knorpelabbau viel effektiver verhindert werden, als wenn das Medikament allein in das Gelenk injiziert würde.

Brett Geiger, ein MIT-Student, ist der Hauptautor des Papiers, das erscheint im Nov. 28 Problem von Science Translational Medicine. Weitere Autoren sind Sheryl Wang, ein MIT-Student, Robert Padera, außerordentlicher Professor für Pathologie am Brigham and Women’s Hospital, und Alan Grodzinsky, ein MIT-Professor für Bioingenieurwesen.

Bessere Lieferung

Arthrose ist eine fortschreitende Erkrankung, die durch eine traumatische Verletzung wie einen Bänderriss verursacht werden kann; Es kann auch aus der allmählichen Abnutzung des Knorpels mit zunehmendem Alter resultieren. Ein glattes Bindegewebe, das die Gelenke schützt, Knorpel wird von Zellen, die Chondrozyten genannt werden, produziert, kann aber nicht einfach ersetzt werden, sobald er beschädigt ist.

Frühere Studien haben gezeigt, dass IGF-1 bei der Knorpelregeneration bei Tieren helfen kann. jedoch, Viele Osteoarthritis-Medikamente, die sich in Tierversuchen als vielversprechend erwiesen haben, haben in klinischen Studien nicht gut abgeschnitten.

Das MIT-Team vermutete, dass dies daran lag, dass die Medikamente aus dem Gelenk entfernt wurden, bevor sie die tiefe Schicht von Chondrozyten erreichen konnten, auf die sie abzielen sollten. Um das zu überwinden, Sie machten sich daran, ein Material zu entwickeln, das den Knorpel vollständig durchdringen könnte.

Das kugelförmige Molekül, das sie entwickelten, enthält viele verzweigte Strukturen, sogenannte Dendrimere, die sich von einem zentralen Kern verzweigen. Das Molekül trägt an der Spitze jedes seiner Äste eine positive Ladung, was ihm hilft, sich an den negativ geladenen Knorpel zu binden. Einige dieser Gebühren können durch ein kurzes flexibles ersetzt werden, wasserliebendes Polymer, bekannt als PEG, die auf der Oberfläche herumschwingen und die positive Ladung teilweise bedecken können. Moleküle von IGF-1 sind ebenfalls an der Oberfläche befestigt.

Wenn diese Partikel in ein Gelenk injiziert werden, sie beschichten die Oberfläche des Knorpels und beginnen dann, durch ihn zu diffundieren. Dies ist für sie einfacher als für freies IGF-1, da die positiven Ladungen der Kugeln es ihnen ermöglichen, sich an den Knorpel zu binden und zu verhindern, dass sie weggespült werden. Die geladenen Moleküle haften nicht dauerhaft, jedoch. Dank der flexiblen PEG-Ketten auf der Oberfläche, die Ladung abdecken und freigeben, wenn sie sich bewegen, die Moleküle können sich kurzzeitig vom Knorpel lösen, Dadurch können sie tiefer in das Gewebe vordringen.

„Wir haben einen optimalen Ladungsbereich gefunden, damit das Material das Gewebe sowohl binden als auch für die weitere Diffusion lösen kann, und nicht so stark sein, dass es einfach an der Oberfläche hängen bleibt,“, sagt Geiger.

Sobald die Partikel die Chondrozyten erreichen, Die IGF-1-Moleküle binden an Rezeptoren auf den Zelloberflächen und regen die Zellen an, mit der Produktion von Proteoglykanen zu beginnen, die Bausteine ​​des Knorpels und anderer Bindegewebe. Das IGF-1 fördert auch das Zellwachstum und verhindert den Zelltod.

Gemeinsame Reparatur

Als die Forscher die Partikel in die Kniegelenke von Ratten injizierten, Sie fanden heraus, dass das Material eine Halbwertszeit von etwa vier Tagen hatte, welches ist 10 mal länger als allein injiziertes IGF-1. Die Wirkstoffkonzentration in den Gelenken blieb etwa noch hoch genug, um therapeutisch zu wirken 30 Tage. Wenn das für den Menschen gilt, Patienten könnten stark von Gelenkinjektionen profitieren, die nur monatlich oder zweiwöchentlich verabreicht werden können, sagen die Forscher.

Im Tierversuch, Die Forscher fanden heraus, dass Knorpel in verletzten Gelenken, die mit der Nanopartikel-Wirkstoff-Kombination behandelt wurden, weitaus weniger geschädigt waren als Knorpel in unbehandelten Gelenken oder Gelenken, die nur mit IGF-1 behandelt wurden. Die Gelenke zeigten auch eine Verringerung der Gelenkentzündung und der Knochenspornbildung.

„Dies ist ein wichtiger Proof-of-Concept, der auf den jüngsten Fortschritten bei der Identifizierung von anabolen Wachstumsfaktoren mit klinischem Erfolg aufbaut (wie IGF-1), mit vielversprechenden krankheitsmodifizierenden Ergebnissen in einem klinisch relevanten Modell. Die Verabreichung von Wachstumsfaktoren unter Verwendung von Nanopartikeln in einer Weise, die die Behandlung von Osteoarthritis unterstützt und verbessert, ist ein bedeutender Schritt für Nanomedizin,“, sagt Kannan Rangaramanujam, Professor für Augenheilkunde und Co-Direktor des Zentrums für Nanomedizin an der Johns Hopkins School of Medicine, die nicht in der Forschung beteiligt.

Knorpel in Rattengelenken ist ungefähr 100 Mikrometer dick, Die Forscher zeigten aber auch, dass ihre Partikel Knorpelstücke bis zu durchdringen konnten 1 Millimeter – die Dicke des Knorpels in einem menschlichen Gelenk.

„Das ist eine sehr schwierige Sache. Medikamente werden normalerweise ausgeschieden, bevor sie sich durch einen Großteil des Knorpels bewegen können,“, sagt Geiger. „Wenn Sie anfangen, darüber nachzudenken, diese Technologie von Studien an Ratten auf größere Tiere und eines Tages auf den Menschen zu übertragen, Der Erfolg dieser Technologie hängt von ihrer Fähigkeit ab, in dickerem Knorpel zu arbeiten.“

Die Forscher begannen mit der Entwicklung dieses Materials zur Behandlung von Osteoarthritis, die nach traumatischen Verletzungen auftritt, Sie glauben jedoch, dass es auch zur Behandlung von altersbedingter Osteoarthritis angepasst werden könnte. Sie planen nun, die Möglichkeit zu untersuchen, verschiedene Arten von Medikamenten zu verabreichen, wie andere Wachstumsfaktoren, Medikamente, die entzündliche Zytokine blockieren, und Nukleinsäuren wie DNA und RNA.

Quelle: http://news.mit.edu, von Anne Trafton