Генная терапия при лечении остеохондроза и грыж межпозвоночных дисков

Согласно данным генетических исследований, дегенеративно-дистрофические изменения (остеохондроз) позвоночного столба прослеживается в трех поколениях примерно у 94-95% пациентов, жалующихся на регулярные боли в спине. Остальные 5-6% передают патологические отклонения через поколение. При этом многие специалисты едины во мнении, что первоначально заболевание поражает студенистое ядро межпозвоночного диска, а затем – его оболочку и близлежащие мягкие ткани.

Середина 90-х годов прошлого века ознаменовалась интенсивным развитием молекулярной биологии, генетики и инженерии тканей. Это дало толчок к изучению влияния факторов роста на клетки межпозвоночных дисков. В последние годы большое количество экспериментальных и клинических исследований посвящено генетическому лечению и биологической регенерации тканей пораженного межпозвоночного диска.

Так как на сегодняшний день практически все консервативные и хирургические методы лечения межпозвоночных грыж уже известны, дополнены и усовершенствованны, то кое-либо революционное открытие в этой области трудно представить. В тоже время изучение возможностей генной терапии, особенно в сочетании с малоинвазивными методами оперирования, достаточно интересно, эффективно и перспективно, так как предоставляет возможность не только остановить прогрессирование дегенеративных процессов, но и регенерировать межпозвоночный диск.

Анатомия

Дегенеративно-дистрофические изменения в межпозвоночных дисках начинаются с биохимических и морфологических отклонений в организме, а заканчиваются нарушениями биомеханических свойств пораженного позвоночно-двигательного сегмента.

В нормальном здоровом состоянии межпозвоночный диск состоит из хрящевого матрикса, который подразделяется на пульпозное ядро, содержащее хондроциты и фиброзное кольцо, несущее фибробласты. Состояние матрикса обеспечивает амортизационные и биомеханические качества диска. В тоже время клетки, находящиеся в пределах той или иной фиброзно-хрящевой структуры, вырабатывают и поддерживают жизнедеятельность матрикса.

Матрикс межпозвоночного диска – это своего рода каркас из макромолекул, основными компонентами которых являются коллаген и протеогликан. Коллаген отвечает за форму и эластичность матрикса, а протеогликаны – за упругость тканей и резистентность ее к механическим воздействиям (сдавливание, растяжение и пр.). Макромолекулы способны притягивать и задерживать в себе воду и необходимые питательные вещества.

Фиброзное кольцо межпозвоночного диска содержит примерно 70% коллагеновых протеинов, а студенистое ядро – всего 20%. В тоже время максимальная концентрация протеогликанов (более 50%) отмечается в пульпозном ядре. При развитии остеохондроза в межпозвоночных дисках матрикс пульпозного ядра замещается фиброзной тканью (хондроцитарный фенотип замещается фиброзным).

Дегенерация диска

Морфологические изменения в межпозвоночных дисках происходят с определенного возраста. Они начинаются с дегидратации и утраты целостности пульпозного ядра, далее образуются трещины в фиброзных стенках и замыкательных пластинах, прилегающих к телам позвонков

 На молекулярном уровне: 

• снижается диффузия воды, микроэлементов и питательных веществ, активность ферментов и жизнеспособность клеток;
• аккумулируются участки апоптоза (продукты распада клеток) и деградированные клетки матрикса;
• уменьшается синтез протеогликанов и происходит перераспределение коллагена.

Кроме того, в пораженном межпозвонковом диске обычно идентифицируется огромное количество медиаторов воспаления. Среди них: оксид азота, фибронектин, интерлейкины, простагландины, факторы роста опухолей, металлопротеиназа матрикса и прочие. Каждый из медиаторов занимает свое место в развитии патологии.

Так, например, азот, интерлейкин и простагландин являются прямыми ингибиторами синтеза протеогликана. Ингибитор – вещество, подавляющее или замедляющее протекание физиологических или физико-химических реакций. Благодаря интерлейкину формируется протрузия, затем грыжа межпозвоночного диска, возникает болевой синдром. Азот, металлопротеиназа и факторы роста опухолей делают спинномозговые корешки более чувствительными к компрессии.

Таким образом, нарушение баланса синтеза, распада и аккумуляции макромолекул матрикса хрящевых тканей негативно сказывается на его качестве и целостности, а также биомеханических свойствах самого межпозвоночного диска. Не последнюю роль в образовании межпозвоночных грыж играют генетические факторы риска – полиморфизм гена рецептора витамина D, который может обуславливать возникновение и других дегенеративных заболеваний позвоночника (остеопороз, артроз, артрит и др.).

Генетическое лечение

Основная тактика консервативной терапии и оперативного вмешательства при грыжах межпозвоночных дисков направлена на снижение выраженности клинических симптомов заболевания и никак не влияет на патогенетические факторы формирования дегенеративных процессов. Биологические манипуляции более перспективны в этом плане, так как позволяют не только замедлить прогрессирование болезни, но и частично регенерировать пораженные хрящевые ткани.

Возможности лечения дегенеративных заболеваний позвоночного столба на молекулярном уровне существенно расширились с успешным исследованием терапевтического воздействия генов и факторов роста клеток. Суть метода основывается на переносе (трансфере) генетического материала (ДНК или РНК) в необходимую клетку для выработки (продуцирования) необходимого лечебного средства. Особенно эффективен трансфер при терапии врожденных генетических патологий, которые детерминируются ошибками в одном из генов.

Для переноса (транспортировки) необходимых генов используются «векторы» или переносчики, которые можно подразделить на: вирусные и невирусные.

Вирусные переносчики хорошо справляются со своей ролью: качественно транспортируют генетический материал прямо в клетку, завладевают репликацией ДНК и транскрипцией.

Вирусные векторы делятся на:

• Ретровирусы несут РНК и включаются в геном реципиента (эффективно переносят нужный ген в хромосомы реципиента).
• Аденовирусы несут ДНК и могут переносить в 4 раза больше генетического материала, чем ретровирусы, но отличаются достаточно коротким временем экспрессии (продолжительность жизни клетки реципиента). Кроме того, аденовирусы продуцируют иммунный ответ, поэтому использовать их можно только единоразово.
• Адено-ассоциированные или порвовирусы интегрируют собственную ДНК в гостевые хромосомы. Способны проникать в неделящиеся клетки, но переносят очень малое количество генетического материала и сложно производятся.

Невирусные переносчики для облегчения передачи необходимого генетического кода в клетку-цель дополнительно используют физико-химические субстраты. Эти векторы, в отличие от вирусных, химически более стабильны, переносят большие объемы генетического материала, не вызывают иммунного ответа и могут вводиться неоднократно. Недостатком их применения является достаточно низкая эффективность трансфекции (введения) необходимого материала и малая продолжительность экспрессии.

Невирусные векторы делятся на:

• Плазмиды являются свободными ДНК-структурами, несущими гены, необходимые для продуцирования бактериями резистентности (сопротивляемости) к антибиотикам. Этот вектор воспринимают не все клетки реципиенты, поэтому плазмиды соединяют со специальной оболочкой.
• Катионические липосомы переносят большой объем необходимых ДНК и внедряются в гостевую клетку посредством «прилипания» к ее мембране.
• ДНК-лиганды состоят из белка и комплексов ДНК, которые воспринимаются рецепторами клеточных мембран. После соединения белковой части с мембраной клетки-цели ДНК передается в нее методом фагоцитоза.
• Принцип генной пушки основывается на проникновении в клетку-реципиент мельчайших частиц металла, покрытого тонким напылением генетического материала (ДНК). Металлические частицы разгоняются при помощи электрического тока или под давлением.

Способы введения генов

Существует два способа введения генного материала в клетки реципиента:

• In vivo (в переводе с латыни – «внутрь живого организма»), при котором терапевтические гены вводятся непосредственно внутрь организма. В основном методика предусматривает использование аденовирусов.
• Ex vivo (в переводе с латыни – «из жизни» или «вне живого организма») – более сложный метод. Его суть заключается в биопсии клеток реципиента, их размножении, трансфере необходимого генного материала в клеточную структуру, после чего происходит продуцирование клетками терапевтического агента. Далее обновленная клеточная структура имплантируется обратно в организм. Методика более сложная, требует временных затрат, дорогостоящая, но более безопасная, так как отсутствует непосредственный контакт организма с вирусами или свободными цепями ДНК. Кроме того, при экспрессии генов подобным образом врачи имеют возможность отслеживать и контролировать образованный терапевтический ген, а также эффективно интегрировать его в хромосомы размножающихся и развивающихся клеток реципиента.

После ряда успешных опытов над животными в 2000 году был проведен трансфер с клетками межпозвоночного диска (студенистого ядра) человека. Для переноса использовали аденовирусный вектор и фактор роста. В результате и в пораженных и в дегенеративно-измененных межпозвоночных дисках отметили одинаковый уровень экспрессии, что говорит о возможности лечения любых стадий заболевания.

Далее наблюдался значительный всплеск синтеза коллагена и протеогликанов, минерализация хрящевого и костного матрикса, регенерация межпозвонковых тканей. Таким образом, генная терапия, особенно в сочетании с малоинвазивными методами оперирования, является перспективным направлением при лечении остеохондроза и позвоночных грыж.