Vědci možná našli cestu k léčbě artrózy. Pomoci by mohly injekce i živé náhrady kolenních kloubů

Když loni odborníci na biomechaniku a tkáňové inženýrství Clark Hung a Nadeen Chahineová z Kolumbijské univerzity v New Yorku sledovali výsledky svého výzkumu, měli důvod k radosti. Před nimi leželo koleno zemřelého člověka, které se díky nově vyvinuté náhradě dokázalo ohýbat a zase narovnávat. Zvládlo dokonce pohyby připomínající chůzi.

Nešlo přitom o běžnou umělou kloubní náhradu. Chirurgové do kolena implantovali konstrukci vyrobenou na 3D tiskárně, kterou osadili živými lidskými buňkami. Experiment byl součástí mimořádně ambiciózního projektu, jehož cílem je najít nový způsob léčby artrózy kolenního kloubu, a v ideálním případě dokonce umožnit její úplné vyléčení.

Aby vědci ověřili, co jejich výtvor vydrží, připojili koleno k robotickému zařízení napodobujícímu lidský pohyb. Jakmile se kloub začal pohybovat, jeho tvůrci napjatě čekali, zda jejich konstrukce obstojí.

Výsledek je potěšil. Náhrada vydržela zatížení, které působí na koleno dospělého člověka při svižné chůzi, aniž by popraskala nebo přestala fungovat. Kloub se pohyboval a fungoval jako zdravé lidské koleno.

Podle Chahineové nicméně stále zbývá vyřešit řadu vědeckých, praktických i legislativních problémů. Pokud se nadcházející výzkum a experimenty vydaří, mohla by se nová náhrada přibližně za 18 měsíců dostat do předběžných klinických zkoušek u pacientů s pokročilou artrózou kolene. „Pokud se všechno podaří, mohlo by to pomoci obrovskému množství lidí,“ říká Chahineová. 

Hledání léku na artrózu

Výzkum na Kolumbijské univerzitě je součástí pětiletého projektu amerického ministerstva zdravotnictví a sociálních služeb. Na jeho financování v řádu milionů dolarů se podílí několik vědeckých týmů, které hledají nové způsoby léčby artrózy. Program dostal název NITRO, což je zkratka anglického označení Novel Innovations for Tissue Regeneration in Osteoarthritis – nových inovativních postupů pro regeneraci tkání při artróze.

Každý tým zkoumá jinou, dosud experimentální cestu k léčbě. Všechny navrhované metody však musejí splňovat několik podmínek: jejich účinek má být dlouhodobý, výsledkem musí být živá tkáň a v koleni nesmějí zůstat žádné kovové ani jiné mechanické součásti. Léčba má navíc vyjít podstatně levněji než současné postupy.

Úspěch by mohl mít význam pro miliony pacientů. Podle amerického Centra pro kontrolu a prevenci nemocí (CDC) trpí artrózou nejméně 33 milionů Američanů. Toto degenerativní onemocnění postupně poškozuje klouby, způsobuje bolest a vede k úbytku chrupavky. Ve velké většině případů postihuje právě kolena.

Obnova chrupavky je u dospělých lidí velmi obtížná. Tato tkáň totiž obsahuje jen málo chondrocytů – buněk, které vytvářejí novou chrupavku. S přibývajícím věkem se proto chrupavčitá vrstva v koleni ztenčuje a kloub je stále náchylnější k zánětům. Ty tkáň dále narušují a přispívají k rozvoji artrózy.

V počátečních stadiích lze potíže někdy zmírnit úpravou jídelníčku, pravidelným pohybem a léky proti bolesti. U závažnějších případů přichází na řadu operace chrupavky či kosti, injekce kortikosteroidů a další zákroky. Ty však bývají nákladné a invazivní, přičemž jejich účinnost není vždy přesvědčivá.

Pokud artróza pokročí natolik, že pacient trpí nesnesitelnou bolestí a koleno přestává správně fungovat, obvykle nezbývá než celý kloub nahradit umělým. Takové řešení je ale drahé a má omezenou životnost: náhrada zpravidla vydrží 15 až 20 let.

Zatím tedy neexistuje léčba, která by artrózu dokázala definitivně vyléčit. Vědci se to nyní snaží změnit.

Genetické přeprogramování buněk

Jeden z týmů financovaných programem NITRO hledá řešení v takzvaných chytrých buňkách. Jeho cílem je přimět buňky uvnitř kloubu, aby samy rozpoznaly problém a začaly na něj reagovat.

„Chceme geneticky přeprogramovat buňky v kloubu, včetně buněk chrupavky, ale také buňky, které tvoří jeho výstelku,“ vysvětluje Farshid Guilak, profesor ortopedické chirurgie na lékařské fakultě Washingtonské univerzity v St. Louis. Výzkumný tým vede společně s revmatoložkou Christine Phamovou.

Vědci se zaměřili na několik genetických mechanismů, které se nacházejí v buňkách chrupavky i dalších tkáních. Ty dokážou rozpoznat, kdy je kloub zatížený a kdy v něm začíná narůstat zánět. Zdravé koleno si s obojím dokáže poradit. Při artróze však tyto přirozené ochranné mechanismy selhávají.

Guilakův tým proto příslušné genetické mechanismy upravil. Buňky díky tomu mohou reagovat na změny v kloubu a vysílat signály, které aktivují další geny. Ty následně začnou vytvářet bílkoviny působící jako jakési biologické léky.

Pokud buňky zaznamenají zánět, genetické mechanismy jim dají pokyn k produkci protizánětlivých bílkovin. Při nadměrném mechanickém zatížení zase spustí tvorbu látek, které pomáhají tlumit bolest a podporují procesy vedoucí ke vzniku nových buněk chrupavky.

Jakmile zánět odezní nebo nadměrné zatížení ustane, tvorba těchto látek se zastaví. Buňky tak nevyrábějí léčivé bílkoviny nepřetržitě, ale pouze tehdy, když je jich zapotřebí.

Aby upravený genetický materiál zůstal stabilní a dostal se dovnitř buněk, obalili jej vědci drobnými organickými nosiči označovanými jako nanočástice pronikající do buněk. Takto připravený materiál následně injekčně podali myším s artrózou.

Uvnitř kloubu se upravené genetické mechanismy začlenily do DNA buněk chrupavky i dalších tkání. Začaly rozpoznávat změny v prostředí kloubu a řídit tvorbu příslušných bílkovin.

Už během několika týdnů se myším začala vytvářet zdravější chrupavka a zánět zeslábl. Genetické mechanismy navíc zůstaly v koleni a nešířily se do jiných částí těla. Profesor Guilak označuje dosavadní výsledky za „velmi povzbudivé“.

Malé částice, velká naděje pro nemocné klouby

Další výzkumné týmy zapojené do programu NITRO zkoušejí jiné cesty k podobnému cíli. Některé z nich se přitom obejdou bez genetického přeprogramování buněk.

Na Coloradské univerzitě v Boulderu se tým vedený chemičkou a bioinženýrkou Stephanie Bryantovou zaměřil na léčivo, které už je schválené pro použití u lidí i zvířat. Jeho název vědci zatím tají, dokud nezveřejní první výsledky výzkumu, což plánují pravděpodobně na příští rok.

Látka dokáže ve zkumavce stimulovat vznik nových buněk chrupavky. V živém kloubu se ale rychle rozptýlí, takže její příznivé účinky brzy pominou.

Bryantová a její kolegové proto vyvinuli mikroskopické nosiče z biologicky odbouratelných nanomateriálů. Ty léčivo obalí a udrží je v koleni, odkud se postupně uvolňuje v malých dávkách jednou za několik měsíců.

Jediná injekce by tak teoreticky mohla působit v kloubu zhruba rok a po celou dobu podporovat obnovu chrupavky. Nakonec se rozloží nejen nosné materiály, ale i samotné léčivo, a tělo je vstřebá.

Stejný tým připravuje také druhou experimentální metodu. Ta spočívá v aplikaci speciální tekuté biomateriálové směsi do kolen, v jejichž chrupavce nebo kosti se vytvořily rozsáhlé defekty. Tekutina po vstříknutí vyplní poškozená místa a ztuhne.

Obsahuje přitom speciální bílkoviny, které pronikají do kosti a vyhledávají v ní kmenové buňky. Ty následně přimějí, aby se přesunuly k povrchu kosti. Tam další bílkoviny nasměrují jejich přeměnu v buňky chrupavky.

Nově vzniklé buňky se začnou množit, zatímco biomateriál se postupně rozpouští. Uvolněný prostor vyplní zdravá chrupavka, která by měla pomoci obnovit funkci celého kolena.

Podle Bryantové se obě metody osvědčily při pokusech na králících a morčatech. U zvířat se podařilo projevy artrózy zvrátit.

„Ve vědě nikdy doopravdy nevíte, zda něco bude fungovat, dokud to neuvidíte na vlastní oči,“ říká Bryantová. „Když jsme ale spatřili ty výsledky, bylo to upřímně řečeno pozoruhodné.“

Kolena, která se obnovují sama

Podobné výsledky zaznamenali také vědci z lékařské fakulty Dukeovy univerzity a jejich spolupracovníci z dalších univerzit. Padesátičlenný tým chirurgů, biomedicínských inženýrů a dalších odborníků začal hledat vhodnou kombinaci již existujících léčiv, která by dokázala obnovit poškozené koleno.

Po vyzkoušení desítek kombinací vybrali tři slibné varianty. První se zaměřuje na poškozenou chrupavku, druhá na nemocnou kost v kolenním kloubu a třetí ovlivňuje procesy v celém těle, které mohou přispívat k rozvoji artrózy ve více kloubech současně.

Nová nejsou ani samotná léčiva, ani jejich kombinace. Zásadní inovace spočívá v tom, jak se dostávají na místo určení. Každou směs vědci uzavřeli do speciálních nanonosičů, jejichž molekuly dokážou rozpoznat určitý druh tkáně – chrupavku, nebo kost.

Po injekční aplikaci do kloubu nosiče zamíří přímo k cílové tkáni a uvolní v ní léčivou směs. Ta by měla probudit dosud neaktivní genetické mechanismy, které spouštějí tvorbu nových buněk chrupavky nebo kostní tkáně.

„Věříme, že když poškozené chrupavce nebo kosti dodáme správný podnět, můžeme je přimět, aby se znovu obnovovaly,“ říká Benjamin Alman, dětský ortopedický chirurg z Dukeovy univerzity v Severní Karolíně, který tým vede.

Při pokusech na potkanech a myších s artrózou podle něj vědci zaznamenali „poměrně dramatickou odpověď“. „Současné léky dokážou artrózu zpomalit. My se ale snažíme poškozený kolenní kloub skutečně obnovit,“ vysvětluje Alman.

Živé náhrady kolenního kloubu

Ne každé koleno se ale podaří obnovit. Pokud je poškození příliš rozsáhlé, nemusí už být dostatek chrupavky, kterou by bylo možné regenerovat.
„Když už v kloubu žádná chrupavka nezůstala, nemůžete ji obnovit,“ upozorňuje Clark Hung z Kolumbijské univerzity. Kosti se pak začnou třít přímo o sebe a bolest může být téměř nepřetržitá. V takových případech se dnes obvykle přistupuje k úplné náhradě kolenního kloubu plastovým a kovovým implantátem, jehož životnost se pohybuje kolem 15 až 20 let.

Hung a Chahineová chtějí tuto zavedenou metodu posunout dál. Jejich cílem je vytvořit náhradu, která nebude jen mechanickou konstrukcí, ale postupně se promění v živou tkáň.

Navrhli proto nosnou strukturu ve tvaru kolenního kloubu, kterou lze vytisknout na 3D tiskárně z pevných, biologicky odbouratelných materiálů. Do ní pak vědci umístí velké množství buněk chrupavky a kostní tkáně. Ty mohou vypěstovat z pacientových vlastních buněk nebo využít kmenové buňky uložené v buněčných bankách.

Buňky postupně pokryjí celou konstrukci a vyplní její vnitřní prostor. Hotová náhrada se následně chirurgicky implantuje do kolena. Samotný zákrok by měl podle Chahineové v zásadě odpovídat současným operacím, při nichž se vyměňuje kolenní kloub. „Nechceme, aby se chirurgové museli učit úplně nový postup,“ vysvětluje. 

Umělá nosná struktura dokáže bezprostředně po implantaci nést váhu těla. Během přibližně jednoho roku by se měla postupně rozložit a být vstřebána organismem. Na jejím místě zůstane živá, zdravá chrupavka a kostní tkáň, které dokážou snášet běžné zatížení. Výsledkem by měl být nový, funkční kolenní kloub.

Takto velkou náhradu zatím nelze testovat na hlodavcích, a proto první experimenty probíhají na kolenech zemřelých lidí. Dosavadní zkoušky ukázaly, že živé náhrady odolávají silám, které vznikají při chůzi i běhu. Vědci také ověřili, že laboratorně vypěstované buňky chrupavky a kostní tkáně při kontaktu s lidskou kolenní tkání v laboratorních miskách nevyvolávají reakci vedoucí k odmítnutí tkáně.

Nadějné výsledky, ale cesta k léčbě je ještě dlouhá

Všechny popsané metody mají zatím jednu zásadní slabinu: jejich účinnost nebyla ověřena u lidí. Výzkum přináší řadu slibných výsledků, ale dobře známým úskalím medicíny je, že léčba účinná u myší nemusí fungovat u člověka. Dějiny vědy jsou plné genetických a tkáňových experimentů, které slibovaly řešení artrózy, při klinických zkouškách ale selhaly.

„Jednotlivé projekty programu NITRO mají rozhodně potenciál,“ říká Kelsey Collinsová, odborná asistentka a hlavní řešitelka výzkumu v laboratoři Lab for Musculoskeletal Crosstalk na Kalifornské univerzitě v San Francisku, která se zabývá tkáňovým inženýrstvím, artrózou, záněty a zdravím. 

Collinsová zároveň upozorňuje, že při hledání léčby je třeba vnímat pacienta jako celek, nikoli se soustředit pouze na postižený kloub. Významnou roli totiž mohou hrát i metabolické zdraví a zánětlivé procesy v celém těle, na které léčba zaměřená výhradně na koleno nemusí mít vliv.

Pochybnosti mají i samotní účastníci programu NITRO. Obávají se, že cíle projektu jsou příliš ambiciózní a stanovené termíny příliš krátké.

„Ve vědě je téměř neslýchané dostat se do první fáze klinických studií během pěti let,“ upozorňuje Alman. Studie fáze I slouží především k ověření bezpečnosti nových léčiv a léčebných postupů u lidí.

Všechny zapojené týmy proto jednají se zástupci amerického Úřadu pro kontrolu potravin a léčiv (FDA). Snaží se zjistit, jaké další experimenty musejí provést a jaká data předložit, aby získaly povolení zahájit klinické studie fáze I a začít do nich zařazovat pacienty.

„Technických problémů jsme museli vyřešit celou řadu,“ přiznává Chahineová. Výzkumníci například několikrát upravovali konstrukci i materiály živé náhrady a počítají s tím, že se objeví další komplikace. Zatím se jim však daří nacházet řešení.

Přestože úspěch projektu NITRO zůstává nejistý, vědci považují dosavadní práci za smysluplnou. Nové postupy by mohly pomoci milionům pacientů a zároveň přinášejí cenné poznatky o tom, proč kolenní klouby postupně ztrácejí svou funkci a jak jejich poškození napravit.

Tým z Kolumbijské univerzity doufá, že se mu podaří získat potřebné schválení amerického Úřadu pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) a nabídnout živou náhradu kolenního kloubu lidem s těžkou artrózou. Stejné ambice mají i ostatní výzkumné skupiny, jejichž metody by se mohly v budoucnu uplatnit v klinické praxi.

Všichni si však uvědomují, že před nimi stojí ještě dlouhá cesta. Jak zaznívá i od Hunga, celý projekt je stále mimořádně odvážným pokusem, jehož výsledek nelze předem zaručit.