Kraakbeencellen waarbij de ‘dansende’ moleculen de aanmaak van collageen II hebben geactiveerd (afb: Samuel Stupp et. al/Northwesternuniversiteit)
Schade aan kraakbeen kan pijnlijk zijn. Er zal al heel wat pogingen gedaan die schade te herstellen, bij voorkeur met de hergroei van kraakbeen, maar kennelijk leverden die geen goed (genoeg) herstel op. Nu proberen onderzoekers het met ‘dansende’ moleculen die de aanmaak van groeifactor beta-1 (TGFb-1) bevordert. Deze aanpak zou ook voor andere weefseltypen toepasbaar zijn.
De methode maakt gebruik synthetische verbindingen die de natuurlijke activering van een eiwit nabootsen dat cruciaal is voor de vorming en het onderhoud van kraakbeen. Onderzoekers ontdekten dat het intensiveren van de beweging van moleculen in de nanovezels leidde tot meer componenten die nodig zijn voor het kraakbeenherstel. Dat herstel zou in vier uur gepiept zijn, maar dat kan ik(=as en leek op alle terrein) nauwelijks geloven. De onderzoekers deden hun proeven in kweken van kraakbeencellen (chondrocyten). Dat zal dan de verklaring moeten zijn voor deze razendsnelle therapie, als dat al klopt. Ongetwijfeld gaat dat in het lichaam een stuk trager.
Deze aanpak zou, onder meer, gebruikt kunnen worden om artrose te behandelen, stellen de onderzoekers, maar het lijkt me dat ook sporters daar baat van kunnen hebben, die nogal kraakbeenschade oplopen. Wereldwijd zouden meer dan een halfmiljard mensen last hebben van artrose.
De onderzoekers rond Samuel Stupp van de Northwesternuniversiteit hadden in 2017 een synthetisch signaalsysteem ontwikkeld om de activiteit van genen en cellen te beïnvloeden. In 2021 gebruikte Stupp en collega’s de ‘dansende’ moleculen al om schade aan ruggenmerg te herstellen. Die aanpak hebben ze nu gebruikt om beschadigd kraakbeen te herstellen.
“Toen we voor het eerst therapeutische effecten van dansende moleculen zagen, zagen we geen reden waarom het alleen zou moeten gelden voor het ruggenmerg,” zegt Stupp . “Nu zien we de effecten in twee celtypen die volledig los van elkaar staan: kraakbeencellen in onze gewrichten en neuronen in onze hersenen en het ruggenmerg. Dit geeft me meer vertrouwen dat we mogelijk een universeel fenomeen hebben ontdekt. Het zou kunnen gelden voor veel andere weefsels.”
‘Smeermiddel’
Kraakbeen fungeert als ‘smeermiddel’ in gewrichten. Als dat beschadigt raakt dan wordt bewegen pijnlijk. Stupp: “De huidige behandelingen zijn erop gericht bij artrose de voortgang van de ziekte te vertragen of onvermijdelijke gewrichtsvervanging uit te stellen,” zegt Stupp. “Er zijn geen regeneratieve opties omdat mensen niet de inherente capaciteit hebben om kraakbeen te regenereren in de volwassenheid.” Dat laatste zou overigens niet de algemene opvatting zijn.
Stupp en de zijnen veronderstelden dat hun ‘dansende’ moleculen het hardnekkige weefsel zouden kunnen aansporen om te regenereren. ‘Dansende’ moleculen, die eerder in Stupps laboratorium zijn uitgevonden, zijn samenstellingen die lange ketens vormen die bestaan uit tienduizenden tot honderdduizenden moleculen met krachtige signalen (=boodschappen) voor cellen.
Door hun collectieve bewegingen af te stemmen via hun chemische structuur, ontdekten de onderzoekers dat de bewegende moleculen snel receptoren op celmembranen konden vinden en er goed mee konden communiceren.
“Celreceptoren bewegen ook constant”, zegt Stupp. “Door onze moleculen te laten bewegen, ‘dansen’ of zelfs tijdelijk uit deze structuren te laten springen, bekend als supramoleculaire polymeren, kunnen ze effectiever verbinding maken met receptoren.”
In de nieuwe studie keken Stupp c.s. naar de receptoren voor het eiwit dat cruciaal is voor de vorming en het onderhoud van kraakbeen TGFb-1. Om die aan te spreken, ontwikkelde de onderzoekers een ringvormige peptide die het bioactieve signaal van TGFb-1 nabootst. Vervolgens bouwden ze die peptide in twee verschillende moleculen in, die met water supramoleculaire verbindingen vormen met zo’n structuur waarin die ingebouwde moleculen kunnen bewegen in het grotere geheel. Het andere supramoleculaire polymeer beperkte die beweging juist.
Stupp: “We wilden de structuur aanpassen om twee systemen te kunnen vergelijken die verschillen in de mate van hun beweging. De intensiteit van de supramoleculaire beweging in het ene geval is veel groter dan in het andere.”
Hoewel beide verbindingen het signaal nabootsten om de TGFb-1-receptor te activeren, was het polymeer met snel bewegende moleculen veel effectiever. In sommige opzichten waren ze zelfs effectiever dan het eiwit dat de TGFb-1-receptor in de natuur activeert.
“Na drie dagen produceerden menselijke cellen die werden blootgesteld aan de bewegelijker vorm grotere hoeveelheden van de eiwitcomponenten die nodig zijn voor het kraakbeenherstel,” zegt Stupp. “Voor de productie van een van de componenten in de kraakbeenmatrix, collageen II, waren de dansende moleculen die het cyclische peptide bevatten die de TGFb-1-receptor activeert, zelfs effectiever dan het natuurlijke eiwit dat deze functie heeft in biologische systemen.”
De aanpak wordt nu in dierproeven uitgeprobeerd. Stupp verwacht dat met deze aanpak het herstel van kraakbeen een stuk zal worden verbeterd. De onderzoekers gaan kijken of het ook werkt bij botherstel.
Ze proberen nu toestemming te krijgen voor klinische proeven met de ‘dansende’ moleculen bij ruggenmergherstel. Stupp: “We beginnen de enorme breedte van aandoeningen te zien waarop deze fundamentele ontdekking van ‘dansende’ moleculen van toepassing zou kunnen zijn. Het beheersen van supramoleculaire beweging door middel van chemisch ontwerp lijkt een krachtig hulpmiddel om de werkzaamheid van een reeks regeneratieve therapieën te vergroten.”
Bron: Science Daily