Разные патологии суставов, такие как ревматоидный артрит (RA), osteochondritis dissecans, osteonecrosis и hemarthrosis вследствие травмы или обусловленные гемофилией могут повреждать суставной хрящ, а также др. структуры суставов, приводя к небольшим фокальным повреждениям, ведущих к большому количеству дегенераций в суставе (osteoarthritis [OA]) (1). Распространенной мишенью для упомянутых патологических процессов является остеохондральная единица. Стимуляция воспалительных процессов внутри суставов вызывает прогрессирующую дегенерацию хрящевого внеклеточного матрикса (ECM) и активацию остеокластов с последующей деструкцией субхондральной кости (2). Локальные небольшие остеохондральные дефекты обычно подвергаются естественному процессу заживления; однако, это приводит к формированию фиброзно-хрящевой (fibrocartilaginous) ткани, которая не является ни прочной, и ни интегрированной в соседний хрящ. Это приписывается свойствам хряща, включая безсосудистую и не нейральную природу хряща взрослых, снижение плотности хрящевых клеток, и плохую организацию ECM (2).

Процесс заживления обеспечивается активированными synoviocytes; однако, их активность часто является несоответствующей и может приводить к существенной патологии (3). Стратегией терапии подобных повреждений д. быть восстановление гиалинового суставного хряща, которые будет интегрироваться в окружающую здоровую ткань, обеспечивая механическую эластичность и продолжительность жизни.

Разные хирургические методы нацелены на улучшение доставки циркулирующих mesenchymal stem cells (MSCs): лишенный сосудов хрящ, такой как полученный бурением субхондральной костной ткани, абразивная артропластика, микро-разрушения, перенос аутологичного остеохондрального комплекса, мозаика для мелких очаговых дефектов, аутологичная имплантация хондроцитов (ACI) и матрикс-индуцированная ACI (MACI) для большой очаговой хондральной и остеохондральной травмы, которые привели к некоторым успехам; особенно у молодых пациентов. Несмотря на эти успехи отсутствует процедура , способная репарировать хрящи соединений до (почти) исходного состояния (4, 5). Кроме того, эти техники имеют неудобства, такие как проблемы с идентификацией доноров, отторжением трансплантатов или их непереносимость, и дополнительные деградации, приписываемые two-stage хирургии (6). Лечение широко распространенных повреждений OA ещё более сложное.

После применения любой из этих техник, отмеченных выше, вновь продуцированный хрящ имеет в качестве своего принципиального компонента типа I коллаген скорее, чем типа II коллаген, и протеогликаны, характерные для гиалиновой машины (hyaline car tilage), придавая ему волокнисто-хрящевой состав, исключающий длительные механические свойства и интеграцию в соседний здоровый хрящ (7).

MSCs являются мультипотентными стволовыми клетками, обнаруживаемыми в костном мозге, жировой ткани и периферической крови, которые способны дифференцироваться в остеоциты, адипоциты, хондроциты и др. клетки, характерные для суставов. MSCs обладают огромным потенциалом для репарации хряща; однако, со временем фенотип фиброхряща доминирует на гиалиновым хрящом, ограничивая его пригодность. Поэтому ослабление такого изменения в фенотипе является основным узким местом для репарации хряща. Введение разных трансгенов в MSCs может помочь в устранении этой проблемы хондрогенного фенотипа.

Недавно появилось обнадеживающее сообщение об успешной генотерапии (GT) при серповидно-клеточной болезни, гемофилии и adrenoleukodystrophy, это породило надежду на использование её в репарации хряща, особенно при OA (8-10). Появилась возможность перепрограммирования клеток, присутствующих в суставах и особенно хрящевых с помощью трансдукции генов

Table 1. Classes of expression vectors in gene therapy (GT)

наделяя их благоприятными функциями, такими как модуляция воспаления и увеличение продолжительности жизни клеток или сохранение фенотипа гиалинового хряща путем продукции типа II коллагена и протеогликанов (11).

Некоторые недавние сообщения сконцентрировались на экспрессии терапевтических белков вследствие GT для усиления репарации хряща (12-14). В этих работах использовали разные векторы для доставки в мембраны белков репарации, транскрипционных факторов и факторов роста, чтобы усилить клеточный синтез и контролировать паракринные каскады [Table 1] (12, 15, 16).

Существуют два основных класса векторов экспрессии в GT: не вирусный и вирусный. Невирусные вектора необходимы для переноса вектора экспрессии (обычно плазмиды) в клетки реципиенты. Мы можем использовать физические методы (in vivo электрофорез, ультразвук) или химические методы. Упомянутые выше методы надежны, легки в использовании и экономически выгодны. Однако, осуществляемая ими доставка менее эффективна по сравнению с вирусными векторами. После их введения в клетки невирусные вектора обычно сохраняются в цитоплазме. Здесь они могут экспрессировать специфические белки. Вирусные вектора, аденовирусы, рекомбинантные adeno-associated viral (rAAV), ретровирусы и baculoviruses. На сегодня наиболее используемыми векторами являются rAAV для доставки всех типов генов при всех типах хрящевой патологии. Сегодня приблизительно 50 серотипов аденовирусов доступны для GT. Серотип 5 (Ad5) используется наиболее часто (in vitro и in vivo).

Несмотря на эти обнадёживающие результаты, принципиальным ограничивающим фактором эффективности GT является преходящая экспрессия генного продукта, независимо от используемого вектора. Напр., одна из стратегий GT для репарации хряща была нацелена на усиление синтеза фактора роста; пока генный продукт экспрессировался до 2-х недель, недостаточное количество времени для достижения лечебного эффекта (17, 18). Более того, максимальные концентрации факторов роста наблюдались в первые дни после трансдукции, что могло приводить к избыточным терапевтическим дозам или токсическим уровням ростовых факторов (19).

Недавнее исследование было сфокусировано на экспрессии терапевтических белков с использованием GT для усиления репарации хряща. Эти сообщения были сконцентрированы на доставке белков репарирующих мембрану, транскрипционных факторов и ростовых факторов. Большинство работ использовали экспрессию IGF-1. Несмотря на впечатляющие успехи, принципиальный ограничивающий фактор эффективности репарации хряща вследствие GT обнаруживал преходящую экспрессию генного продукта, независимо от использованного вектора. Второй фактор или ограничитель успешности GT по репарации хряща достигал субоптимальных концентраций белков мишеней, таких как факторы роста. С др. стороны, попытки увеличить экспрессию белка мишени, наталкивались на supra-therapeutic или токсические концентрации в первые несколько дней после GT.

Некоторые вирусные векторы и невирусные методы были использованы для непосредственного введения интересующего гена (напр., IGF-1) в хондроциты. Независимо от используемого метода внесения трансгена, продолжительность экспрессии оказывалась недостаточной (обычно 2-4 недели) по сравнению с продолжительностью, необходимой для репарации хряща (6-12 мес.). Единственный способ преодолеть эту проблему введение связывающих мотивов для белка мишени, чтобы удлинить время пребывания. Напр., после внесения IGFBPs в каркасный материал, такой как alginate, эффективное время пребывания IGF-1 в хряще после GT удлинялось почти до 30 дней, и его биосинтез возрастал в 19 раз. Несмотря на это улучшение, продолжительность экспрессии оставалась недостаточной для эффективной регенерации хряща.

Базирующаяся на клетках GT для репарации суставного хряща была косвенным методом экспрессии белка мишени. Это было подтверждено увеличением наших знаний о роли биоматериала каркаса, которую он оказывает на удлинение экспрессии и увеличение концентрации генного продукта. Несмотря на улучшения требуют оптимизации этого подхода.

Кстати, ни одна техника не оказывается способной воспроизводить естественно возникающий и функциональный гиалиновый хрящ в суставах. GT может предложить возможность предоставить для этой цели репарацию хряща для OA и др. патологий хряща; however, однако, существует ряд узких мест, которые необходимо преодолеть. Напр., внесенные стволовые клетки для формирования хряща обычно продуцируют недостаточные количества хрящевых клеток или предшественников хряща. Также обычно обнаруживается формирование кости и гипертрофия костей.

Недавнее сообщение Grol and Lee подтвердило, что в последние годы было продемонстрировано несколько гентерапевтических подходов (наз. 'monotherapies'), обнаруживающих эффективность на пре-клинических моделях болезни, и ряд из них допущены к клиническим испытаниям (69). В частности, ex vivo TGF-1 генотерапия была осуществлена в Корее в 2017 для терапии умеренных и тяжелых случаев OA. Способность использовать вирусные векторы для контекс-специфической и комбинаторной GT также была исследована; эти стратегии, скорее всего, важны для будущих исследований, репарации и регенерации тканей при скелетных болезнях.

В февр. 2018, Bellavia et al. подтвердили, что GT может представлять собой многообещающую стратегию для репарации хондральных и остеохондральных дефектов (70). Они анализировали пре-клинические и клинические исследования по GT для репарации дефектов суставных хрящей, осуществленных в последние 10 лет, сконцентрировавшись на векторах экспрессии (невирусных и вирусных), типе доставляемых генов и процедуре GT (прямой или косвенной). Плазмиды (невирусные векторы экспрессии) и аденовирусы (вирусные векторы) наиболее часто используются в пре-клинических исследованиях. Доставляемые гены в основном кодируют ростовые факторы, затем транскрипционные факторы, противо-воспалительные цитокины и реже клеточные сигнальные белки, матричные белки и рецепторы. Прямые инъекции вектора экспрессии используются реже, чем непрямые инъекции клеток с или без каркаса, чтобы достичь места повреждения. Клинические испытания (phases I, II или III) безопасности, биологической активности, эффективности и био-распределения используют аденовирусные вирусные векторы для доставки факторов роста или противовоспалительных цитокинов при лечении OA, а рецепторов фактора некроза опухолей или интерферона для лечения воспалительных артритов.

В 2018, Kim et al. сообщили о двух исследованиях клинической эффективности TissueGene-C (TG-C ), клеточной и генной терапии для OA коленей у людей, было установлено соотношение нетрансформированных и трансдуцированных хондроцитов равное 3:1, при этом трансдуцированные ретровирусами обнаруживали избыточную экспрессию TGF-1 (71, 72). TG-C оказался ассоциированным с с статистически достоверными улучшениями функции и снижением болей в OA коленях. Наиболее частыми побочными эффектами в TG-C группе были периферический отек (9%), арталгия (8%), припухлость суставов (6%), и боль в месте инъекции (5%). Watson Levings et al. недавно сообщили о результатах на конской модели, показав действие scAAV.

Применениеи IL-1Ra приемлемо безопасно и вызывает устойчивую терапевтическую продукцию IL-1Ra внутри суставного хряща у людей. Эти данные подкрепляют мнение необходимости его тестирования при OA у людей (73).

Генотерапия использует также применение вирусных и невирусных векторов для доставки нуклеиновых кислот в ткани с использованием прямых (in vivo) или трансдуцированных клетками-опосредованных (ex vivo) методов. При пре-клинических исследованиях генотерапия оказалась успешной для лечения повреждений хряща. Генотерапия была также оценена в клинических испытаниях в отношении безопасности терапевтической мощи при OA. Далее был использован ряд альтернатив для экспрессии терапевтических трансгенов в месте повреждения, что способствовало или облегчало репарации хряща. Интересно бы включать секретируемые белки, такие как факторы роста и противовоспалительные медиаторы; хотя, начата также работа по внесению в клетки сигнальных компонентов, транскрипционных факторов и малых, регуляторных нуклеиновых кислот, таких как microRNAs. Наконец, некоторые методы с одиночными терапевическими генами (монотерапия) продемонстрировали эффективность на преклинических моделях болезней, а некоторые были оценены в клинических испытаниях. Примечательно, что ex vivo TGF-1 генотерапия была одобрена в Корее в 2017 для лечения от умеренных до тяжелых OA. Эта терапия, TissueGene-C (TG-C), является клеточной и генной терапией OA и давала соотношение нетрансформированных к трансдуцированным хондроцитам соотношение 3:1, при этом последние экспрессировали growth factor-1; и это приводило к соотв. улучшению функции и боли у пациентов с OA коленей. GT, по-видимому, является жизнеспособной терапевтической альтернативой для лечения дефектов хряща и OA.

Несмотря на то, что генотерапия может использоваться как эффективная техника для лечения идиопатических остеоартритов (дегенерации хряща) колен, мы всё ещё продолжаем использовать обычные хирургические вмешательства, а именно, high tibial osteotomy (HTO), UKA (unicompartmental knee arthroplasty) и TKA (total knee arthroplasty) (74-76).