Любой, кто когда-либо разрывал или травмировал мышцу, знает, что вскоре за травмой следуют отек, покраснение и боль: классические признаки воспаления. Воспаление – это естественная реакция организма на заживление, но продолжительное избыточное воспаление в мышцах может способствовать прогрессированию хронических заболеваний, таких как мышечная дистрофия Дюшенна, и ухудшать состояния в других частях тела, таких как ревматоидный артрит, астма и диабет. Встречающийся в природе противовоспалительный цитокин, называемый ИЛ-4, исследуется в качестве средства лечения таких состояний, но его использование ограничено, поскольку он быстро разрушается, попав в организм, и его необходимо вводить в больших дозах при повторных инфузиях, вызывая нежелательные системные инфузии. побочные эффекты.
Теперь новая методика от Института Висса и Гарвардского университета Джона А. Школа инженерии и прикладных наук Полсона (SEAS), которая включает в себя прикрепление множества копий IL-4 к наночастицам золота и введение их непосредственно в поврежденную мышцу, улучшила структуру и силу мышц через две недели после травмы. Об исследовании сообщается в PNAS.
"Используя воспалительную реакцию, эта технология может значительно улучшить терапевтические и функциональные результаты существующих методов лечения, направленных на прямую регенерацию мышц," сказала Тереза Раймондо, аспирантка Института Висс и SEAS, которая является первым автором исследования.
Система, которую разработал Раймондо, действует в первую очередь на макрофаги – тип иммунных клеток, которые создаются в ответ на травму или инфекцию. Когда макрофаги достигают места нападения на организм, они находятся в провоспалительном состоянии, называемом M1, которое способствует высвобождению воспалительных цитокинов, антимикробных пептидов и других молекул, которые инициируют иммунный ответ и способствуют образованию новых мышц. клетки. Затем макрофаги переходят в состояние M2, которое уменьшает воспаление и способствует созреванию мышечных волокон.
Если баланс макрофагов в состоянии M1 и M2 нарушен и в месте повреждения слишком много макрофагов M1, восстановление мышц подавляется. IL-4 может вызвать переключение макрофагов с M1 на M2, что способствует более быстрому заживлению мышечных волокон; однако заставить IL-4 накапливаться в своем целевом участке оказалось сложной задачей, и предыдущие составы, которые пытались решить эту проблему, не показали значительных улучшений в моделях воспаления или травмы.
Раймондо и Висс, основатель основного факультета Дэвид Муни, доктор философии.D. принял эту задачу, прикрепив IL-4 к наночастицам золота, некоторые составы которых одобрены FDA для терапевтического лечения. Сначала они протестировали наночастицы ИЛ-4 против свободно плавающего ИЛ-4 в живых клетках человека и обнаружили, что связанный с наночастицами ИЛ-4 не только сохраняет свою биологическую функцию, но и приводит к большей доле макрофагов М2, чем несвязанный ИЛ. -4.
Затем ученые протестировали свою систему in vivo, вводя наночастицы IL-4 в ноги мышей с поврежденными мышцами голени через три дня после травмы. Наночастицы помогли удерживать IL-4 в поврежденной мышце, а не диффундировать в кровоток и соседние ткани, и мыши, получившие инъекцию, показали значительное увеличение площади мышечных волокон через пятнадцать дней, чем мыши, получавшие наночастицы, в которых отсутствовал IL-4. Кроме того, обработанные наночастицами ИЛ-4 мышцы были способны сокращаться со значительно большей силой и скоростью, чем мышцы, которым вводили свободно плавающий ИЛ-4.
Наконец, инъекция наночастиц IL-4 удвоила процент макрофагов M2 и уменьшила количество макрофагов M1 по сравнению с мышцами, которые не получали наночастицы IL-4. В мышцах, которым вводили свободный ИЛ-4, также наблюдалось уменьшение макрофагов М1, но не вызывало увеличения макрофагов М2, демонстрируя, что конъюгация ИЛ-4 с наночастицами золота улучшает переход к противовоспалительному состоянию и способствует укреплению мышц. регенерация.
"Эта работа демонстрирует, что модуляция воспалительной реакции является мощным методом стимулирования регенерации функциональных тканей и что наночастицы IL-4 могут способствовать фенотипу макрофагов M2 в контексте повреждения in vivo, что открывает двери для многих интересных направлений исследований," сказал Муни, который также является Робертом П. Семья Пинкасов, профессор биоинженерии в SEAS.
Раймондо в настоящее время изучает возможность использования наночастиц ИЛ-4 для лечения мышечной дистрофии Дюшенна у мышей, дорабатывая структуру наночастиц и оптимизируя режим лечения. "Надеемся, что эти эксперименты продемонстрируют, что наночастицы ИЛ-4 могут изменять фенотип макрофагов в контексте хронического воспаления в дополнение к острым повреждениям, изученным в этой работе, сказал Раймондо. В предстоящих экспериментах также будет изучено прямое взаимодействие между наночастицами ИЛ-4 и мышечно-генерирующими клетками, а также роль фенотипа макрофагов в регенерации мышц в контексте мышечной дистрофии с моделями in vitro.
"В Институте Висса мы всегда ищем лучший способ делать что-то – «достаточно хорошо» неприемлемо," сказал директор-основатель Wyss Дональд Ингбер, M.D., Ph.D., который также является профессором биологии сосудов в HMS и Программе сосудистой биологии в Бостонской детской больнице Джуды Фолкман и профессором биоинженерии в SEAS. "Эта работа не только представляет собой лучший метод доставки IL-4 к воспаленным тканям, но также предлагает возможность более эффективного лечения хронических воспалительных заболеваний, что может улучшить жизнь многих людей в будущем."