Инженеры-биомедики из Университета Дьюка создали инъекционный биоматериал, который может помочь мозгу восстановиться после ишемического инсульта. В ходе экспериментов на мышах этот материал превращал полость, образовавшуюся на месте утраченной мозговой ткани, в более благоприятную среду для процессов восстановления.
Препарат активировал собственные иммунные клетки организма, способствовал образованию новых кровеносных сосудов, поддерживал изменения в нервной ткани и улучшал двигательные функции животных. Результаты исследования были опубликованы в журнале Cell Biomaterials.
Ежегодно миллионы людей сталкиваются с ишемическими инсультами. Такие инсульты возникают, когда тромб перекрывает приток крови к части головного мозга.
Экстренные меры, такие как применение препаратов, растворяющих тромбы, и процедуры по физическому удалению тромба, могут восстановить кровообращение и спасти еще жизнеспособные ткани мозга. Однако если часть мозговой ткани уже погибла, восстановление кровотока не поможет восполнить утраченное.
Тяжелые инсульты могут привести к разрушению значительного объема тканей, в результате чего на месте здоровой мозговой ткани образуется полость. После того как врачи удаляют тромб, восстановление во многом зависит от реабилитации. Реабилитация может помочь уцелевшим нейронным цепям адаптироваться, но она не восстанавливает поврежденную область напрямую.
“После потери мозговой ткани восстановления кровотока уже недостаточно. Наша цель - спроектировать поврежденное пространство таким образом, чтобы иммунные, сосудистые и нервные процессы восстановления могли начать работать сообща”, - говорит Татьяна Сегура, заслуженный профессор биомедицинской инженерии имени Роберта Плонси в университете Дьюка.
Сегура и ее команда стремились создать среду внутри полости после инсульта, которая могла бы поддерживать несколько видов восстановления одновременно. Они использовали MAPS, или каркасы из микропористых спеченных частиц. Эти каркасы состоят из отдельных микрочастиц гидрогеля, которые собираются в пористую структуру. Открытые пространства обеспечивают клеткам каркас, который они могут использовать при восстановлении нервной ткани.
Основываясь на предыдущих успехах с биоматериалом, исследователи хотели определить, могут ли они также использовать иммунную систему организма для управления и усиления процесса восстановления.
В этой части стратегии они сосредоточились на астроцитах. Эти звездообразные клетки играют важную роль в нормальном функционировании мозга и быстро реагируют при его повреждении.
Астроциты взаимодействуют с окружающими клетками, частично высвобождая внеклеточные везикулы. Эти чрезвычайно маленькие упаковки содержат белки, липиды и генетический материал, которые могут влиять на поведение других клеток.
Исследователи собрали внеклеточные везикулы из выращенных в лаборатории астроцитов и протестировали их с различными сигнальными молекулами, предназначенными для привлечения иммунных клеток, стимулирования восстановления кровеносных сосудов и улучшения их функционирования.
Вместо того, чтобы просто вводить внеклеточные везикулы в поврежденный участок, ученые химическим путем прикрепили их к поверхности микрочастиц гидрогеля. Таким образом, сигналы концентрировались внутри каркаса, что давало клеткам больше возможностей взаимодействовать с ними.
“Мы не просто помещаем материал в мозг. Мы создаем локальную среду, которая может координировать несколько этапов реакции на восстановление”.
Выделялась одна комбинация сигналов. IL-4 и C1q были особенно эффективны при привлечении потенциально полезных иммунных клеток в поврежденную область. Эти клетки включали макрофаги, а также удивительно стойкую популяцию нейтрофилов.
Нейтрофилы часто связаны с воспалением и повреждением тканей на ранних стадиях инсульта. Новые результаты показывают, что их роль может быть более сложной. На более позднем этапе после травмы и при наличии правильных сигналов и материальной среды нейтрофилы могут способствовать восстановлению тканей.
Исследователи проверили значимость этих клеток, сократив численность популяции иммунных клеток, насыщенной нейтрофилами. В результате существенно снизилась интенсивность образования кровеносных сосудов, а перестройка каркаса замедлилась. Полученные результаты указывают на то, что эти иммунные клетки играют важную роль в процессе заживления.
“Этот результат заставляет нас по-новому взглянуть на роль нейтрофилов при инсульте. Их роль, по-видимому, зависит от того, когда они появляются, где находятся и какие сигналы получают из окружающей среды. Наше исследование демонстрирует потенциальную инженерную стратегию, позволяющую привлекать и удерживать эти клетки в нужное время”, — говорит Шанцзин Синь, ведущий автор исследования и постдокторант в лаборатории Сегуры.
По мере того как иммунные клетки проникали в обработанную область, в зоне инсульта образовывались новые кровеносные сосуды.
Исследователи обнаружили больше аксонов как внутри поврежденной области, так и вокруг нее. Аксоны — это важнейшие структуры, которые позволяют клеткам головного мозга передавать сигналы.
Биологические изменения сопровождались улучшением двигательных функций. Мыши, которым вводили оптимизированный каркас, лучше справлялись с тестом на хождение по сетке, предназначенным для оценки ошибок при постановке передних конечностей. Через восемь недель их показатели статистически не отличались от показателей здоровых мышей из контрольной группы. Улучшения сохранялись до конца исследования.
Исследователи также проверили, могут ли внеклеточные везикулы оказывать аналогичное воздействие без биоматериала-каркаса. Они не смогли этого сделать.
Введение внеклеточных везикул без каркаса MAP не привело к сравнимому восстановлению кровеносных сосудов. Это открытие позволяет предположить, что биоматериал не просто передавал терапевтические сигналы в мозг. Его пористая структура в сочетании со способностью концентрировать электромагнитные сигналы в поврежденной области, по-видимому, имеет решающее значение для реакции на восстановление.
Несмотря на многообещающие результаты, этот подход остается доклиническим. Пока что исследователи протестировали лечение на мышах, вводя препарат непосредственно в поврежденную область мозга. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы оценить безопасность, точно понять, как различные популяции иммунных клеток влияют на восстановление, и определить, работает ли лечение на более крупных моделях, которые больше напоминают человеческий инсульт.
В настоящее время исследователи также получают внеклеточные везикулы из первичных астроцитов крыс.
В качестве следующего шага лаборатория Сегуры изучает внеклеточные везикулы, продуцируемые астроцитами, полученными из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека. Такие клетки могли бы стать более масштабируемым и клинически значимым источником, предоставляя исследователям больший контроль над сигналами, содержащимися внутри везикул.
“Вы не восстановите экосистему, просто локализовав первоначальный ущерб. Вы должны создать условия, которые позволят жизни вернуться. Именно так мы представляем себе полость, образовавшуюся после инсульта. Материал предназначен не для того, чтобы воспроизвести сам мозг, а для того, чтобы создать среду, в которой собственные клетки организма смогут проникать в васкуляризированные ткани, взаимодействовать с ними и участвовать в их восстановлении”.
Университет Дьюка. Пер.: PSYCHOL-OK.RU
