Пролиферативная активность здоровых и дегенерированных клеток межпозвонкового диска <i>in vitro</i> при воздействии костных морфогенетических протеинов: возможности для клеточной терапии

Пролиферативная активность здоровых и дегенерированных клеток межпозвонкового диска in vitro при воздействии костных морфогенетических протеинов: возможности для клеточной терапии

Л.А. Бардонова, Е.Г. Белых, M.B. Giers, M.C. Preul, В.А. Бывальцев

Ключевые слова: межпозвонковый диск; дегенерация межпозвонкового диска; костный морфогенетический белок; клеточная пролиферация; клеточная терапия.

2018, том 10, номер 2, стр. 76.

DOI: https://doi.org/10.17691/stm2018.10.2.08

Полный текст статьи

html pdf

2055

1536

Аннотация
Список литературы
Как цитировать в References

Цель исследования — оценить эффективность влияния костных морфогенетических протеинов — bone morphogenetic proteins (BMP) на динамику пролиферативной активности здоровых и дегенерированных клеток межпозвонкового диска (МПД) в эксперименте.

Материалы и методы. Клеточные культуры, полученные из фиброзного кольца и пульпозного ядра здорового и дегенерированного межпозвонковых дисков, культивировали в четырех средах: в контрольной и с добавлением BMP-2, BMP-7, BMP-14. Ежедневный подсчет количества клеток проводили в программе Fiji на микрофотографиях, полученных с помощью фазово-контрастной микроскопии. На 4-е сутки клетки фиксировали и окрашивали Alexa Fluor 633 phalloidin (на F-актин) и DAPI (на ядерную ДНК) с последующим исследованием на лазерном конфокальном микроскопе. Скорость роста клеток в каждом случае вычисляли путем математического моделирования в их экспоненциальной фазе роста.

Результаты. Выявлены незначительные изменения темпов роста клеток фиброзного кольца и пульпозного ядра МПД (и здоровых, и дегенерируемых) под влиянием BMP-2, 7, 14. Изменения в пролиферативной активности отмечены в группах здоровых клеток фиброзного кольца под действием BMP-2, 7, 14 (p<0,01), а также в группе дегенерированных клеток пульпозного ядра под действием BMP-14 (p<0,01). Пролиферативная активность дегенерированных клеток пульпозного ядра была незначительно снижена в сравнении со здоровыми клетками (p=0,03), в то же время у здоровых и дегенерированных клеток фиброзного кольца ее значения статистически значимо не различались. Культивирование дегенерированных клеток пульпозного ядра в присутствии BMP не позволило достичь показателей пролиферативной активности здоровых клеток. Морфологическая форма не явилась качественным отличием между типами клеток: клетки и пульпозного ядра, и фиброзного кольца имели фибробластоподобную форму (звездчатую распластанную, веретенообразную с длинными отростками).

Заключение. Выявлены незначительные изменения пролиферативной активности клеток МПД под влиянием BMP-2, 7, 14. Костные морфогенетические белки не оказывают значительного влияния на пролиферацию клеток МПД, что является позитивным в аспекте дефицита питательных веществ и сниженного нутритивного транспорта в диске. Отмеченные различия в скорости роста клеток пульпозного ядра и фиброзного кольца могут свидетельствовать о различной степени толерантности клеточных популяций МПД к дегенерации либо о преимущественной роли клеток пульпозного ядра в клеточном звене дегенерации МПД.

Evans C. Potential biologic therapies for the intervertebral disc. J Bone Joint Surg Am 2006; 88(Suppl 2): 95–98, https://doi.org/10.2106/jbjs.e.01328.
Virtanen I.M., Karppinen J., Taimela S., Ott J., Barral S., Kaikkonen K., Heikkilä O., Mutanen P., Noponen N., Männikkö M., Tervonen O., Natri A., Ala-Kokko L. Occupational and genetic risk factors associated with intervertebral disc disease. Spine 2007; 32(10): 1129–1134, https://doi.org/10.1097/01.brs.0000261473.03274.5c.
Martirosyan N.L., Patel A.A., Carotenuto A., Kalani M.Y., Belykh E., Walker C.T., Preul M.C., Theodore N. Genetic alterations in intervertebral disc disease. Front Surg 2016; 3: 59, https://doi.org/10.3389/fsurg.2016.00059.
Maldonado C.V., Paz R.D., Martin C.B. Adjacent-level degeneration after cervical disc arthroplasty versus fusion. Eur Spine J 2011; 20(Suppl 3): 403–407, https://doi.org/10.1007/s00586-011-1916-1.
Kepler C.K., Anderson D.G., Tannoury C., Ponnappan R.K. Intervertebral disk degeneration and emerging biologic treatments. J Am Acad Orthop Surg 2011; 19: 543–553, https://doi.org/10.5435/00124635-201109000-00005.
Moriguchi Y., Alimi M., Khair T., Manolarakis G., Berlin C., Bonassar L.J., Härtl R. Biological treatment approaches for degenerative disk disease: a literature review of in vivo animal and clinical data. Global Spine J 2016; 6(5): 497–518, https://doi.org/10.1055/s-0036-1571955.
Than K.D., Rahman S.U., Vanaman M.J., Wang A.C., Lin C.Y., Zhang H., La Marca F., Park P. Bone morphogenetic proteins and degenerative disk disease. Neurosurgery 2012; 70(4): 996–1002, https://doi.org/10.1227/neu.0b013e318235d65f.
Belykh E., Giers M., Bardonova L., Theodore N., Preul M., Byvaltsev V. The role of bone morphogenetic proteins 2, 7, and 14 in approaches for intervertebral disk restoration. World Neurosurg 2015; 84(4): 871–873, https://doi.org/10.1016/j.wneu.2015.08.011.
Masuda K., An H.S. Prevention of disc degeneration with growth factors. Eur Spine J 2006; 15(Suppl 3): S422–S432, https://doi.org/10.1007/s00586-006-0149-1.
Vasiliadis E.S., Pneumaticos S.G., Evangelopoulos D.S., Papavassiliou A.G. Biologic treatment of mild and moderate intervertebral disc degeneration. Mol Med 2014; 20: 400–409, https://doi.org/10.2119/molmed.2014.00145.
Pfirrmann C.W.A., Metzdorf A., Zanetti M., Hodler J., Boos N. Magnetic resonance classification of lumbar intervertebral disc degeneration. Spine 2001; 26(17): 1873–1838, https://doi.org/10.1097/00007632-200109010-00011.
Chan L.K., Leung V.Y., Tam V., Lu W.W., Sze K.Y., Cheung K.M. Decellularized bovine intervertebral disc as a natural scaffold for xenogenic cell studies. Acta Biomater 2013; 9(2): 5262–5272, https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.09.005.
Schindelin J., Arganda-Carreras I., Frise E., Kaynig V., Longair M., Pietzsch T., Preibisch S., Rueden C., Saalfeld S., Schmid B., Tinevez J.Y., White D.J., Hartenstein V., Eliceiri K., Tomancak P., Cardona A. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nat Methods 2012; 9(7): 676–682, https://doi.org/10.1038/nmeth.2019.
Bardonova L.A., Belykh E.G., Byvaltsev V.A., Theodore N., Preul M.C., Giers M.B. Mathematical model of bone morphogenetic proteins’ influence on intervertebral disc cell proliferation in vitro. New Armenian Medical Journal 2017; 11(11): 55–60.
Kim H., Lee J.U., Moon S.H., Kim H.C., Kwon U.H., Seol N.H., Kim H.J., Park J.O., Chun H.J., Kwon I.K., Lee H.M. Spine 2009; 34: 1834–1838, https://doi.org/10.1097/brs.0b013e3181ae18ba.
Lo K.W., Ulery B.D., Ashe K.M., Laurencin C.T. Studies of bone morphogenetic protein-based surgical repair. Adv Drug Deliv Rev 2012; 64(14): 1277–1291, https://doi.org/10.1016/j.addr.2012.03.014.
Imai Y., Miyamoto K., An H.S., Thonar E.J., Andersson G.B., Masuda K. Recombinant human osteogenic protein-1 upregulates proteoglycan metabolism of human anulus fibrosus and nucleus pulposus cells. Spine 2007; 32(12): 1303–1310, https://doi.org/10.1097/brs.0b013e3180593238.
Li X., Leo B.M., Beck G., Balian G., Anderson G.D. Collagen and proteoglycan abnormalities in the GDF-5-deficient mice and molecular changes when treating disk cells with recombinant growth factor. Spine 2004; 29(20): 2229–2234, https://doi.org/10.1097/01.brs.0000142427.82605.fb.

Bardonova L.A., Belykh E.G., Giers M.B., Preul M.C., Byvaltsev V.A. Proliferative Activity of Healthy and Degenerated Intervertebral Disc Cells in vitro under Bone Morphogenetic Proteins’ Influence: Implications for Cell Therapy. Sovremennye tehnologii v medicine 2018; 10(2): 76, https://doi.org/10.17691/stm2018.10.2.08