Исследователи из Университета Дьюка разработали инъекционный каркас, который помог поврежденному инсультом мозгу нарастить новые кровеносные сосуды, поддержать регенерацию нервов и восстановить двигательные функции у мышей. По-видимому, лечение частично работает за счет привлечения собственных иммунных клеток организма, включая нейтрофилы, которые при определенных условиях могут переключаться с повреждающего действия на полезное.
Биомедицинские инженеры из Университета Дьюка создали инъекционный биоматериал, который может помочь мозгу восстановиться после повреждений, вызванных ишемическим инсультом. В экспериментах на мышах этот материал преобразовал полость, образованную утраченной мозговой тканью, в более благоприятную среду для заживления.
Лечение активизировало собственные иммунные клетки организма, стимулировало образование новых кровеносных сосудов, поддерживало изменения в нервной ткани и улучшало двигательную функцию у животных.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Cell Biomaterials .
Трудности восстановления мозговой ткани после инсульта
Ежегодно миллионы людей страдают от ишемического инсульта. Этот инсульт возникает, когда тромб блокирует приток крови к части головного мозга.
Экстренные методы лечения, такие как применение препаратов, растворяющих тромбы, и процедуры физического удаления тромба, могут восстановить кровообращение и помочь сохранить жизнеспособную ткань головного мозга. Однако, после отмирания ткани головного мозга, восстановление кровотока не сможет компенсировать уже утраченное.
Тяжелые инсульты могут разрушить значительные объемы тканей, оставляя полость там, где раньше была здоровая ткань мозга. После удаления тромба восстановление во многом зависит от реабилитации. Реабилитация может помочь сохранившимся мозговым цепям адаптироваться, но она не восстанавливает поврежденный участок напрямую.
«После утраты мозговой ткани восстановление кровотока уже недостаточно», - говорит Татьяна Сегура, заслуженный профессор биомедицинской инженерии имени Роберта Плонси в Университете Дьюка. «Наша цель - создать в поврежденном пространстве условия, при которых иммунные, сосудистые и нейронные процессы восстановления смогут начать работать согласованно».
Создание каркаса для восстановления мозга
Сегура и ее команда стремились создать внутри полости, образовавшейся после инсульта, среду, которая могла бы одновременно поддерживать несколько типов восстановления.
Они использовали MAPS, или микропористые каркасы из отожженных частиц. Эти каркасы состоят из отдельных микрочастиц гидрогеля, которые собираются в пористую структуру. Открытые пространства обеспечивают клеткам каркас, в который они могут проникать и который могут использовать при восстановлении нервной ткани.
Опираясь на предыдущие успехи в работе с этим биоматериалом, исследователи хотели определить, можно ли также использовать иммунную систему организма для направления и усиления процесса восстановления.
В рамках этой части стратегии они сосредоточились на астроцитах. Эти звездообразные клетки играют важную роль в нормальном функционировании мозга и быстро реагируют на повреждения головного мозга.
Астроциты взаимодействуют с окружающими клетками, в частности, путем высвобождения внеклеточных везикул (ВКВ). Эти чрезвычайно маленькие пакеты переносят белки, липиды и генетический материал, которые могут влиять на поведение других клеток.
Передача сигналов о необходимости ремонта туда, где они необходимы.
Исследователи собрали внеклеточные везикулы из выращенных в лаборатории астроцитов и протестировали их с помощью различных сигнальных молекул, предназначенных для привлечения иммунных клеток, стимуляции восстановления кровеносных сосудов и улучшения их функций.
Вместо того чтобы просто вводить внеклеточные везикулы в поврежденный участок, ученые химически прикрепили их к поверхностям микрочастиц гидрогеля. Это позволило сконцентрировать сигналы внутри каркаса, предоставив поступающим клеткам больше возможностей для взаимодействия с ними.
«Мы не просто вводим материал в мозг, - сказал Сегура. - Мы создаем локальную среду, которая может координировать несколько этапов процесса восстановления».
Одна комбинация сигналов оказалась особенно эффективной. IL-4 и C1q оказались особенно эффективными в привлечении потенциально полезных иммунных клеток в поврежденную область.
В число этих клеток входили макрофаги, а также удивительно устойчивая популяция нейтрофилов.
Неожиданная роль нейтрофилов
Нейтрофилы часто связаны с воспалением и повреждением тканей на ранних стадиях инсульта. Новые результаты предполагают, что их роль может быть более сложной.
На более позднем этапе после травмы, при наличии соответствующих сигналов и благоприятной материальной среды, нейтрофилы могут, наоборот, способствовать восстановлению тканей.
Исследователи проверили их значимость, уменьшив популяцию богатых нейтрофилами иммунных клеток. В результате образование кровеносных сосудов значительно снизилось, а структура каркаса подверглась меньшей перестройке.
Результаты показали, что эти иммунные клетки играют важную роль в процессе заживления.
«Этот результат меняет наше представление о нейтрофилах после инсульта», - сказала Шанцзин Синь, ведущий научный сотрудник исследования и научный сотрудник лаборатории Сегура. «Их роль, по-видимому, зависит от того, когда они прибывают, где они находятся и какие сигналы получают из окружающей среды. Наше исследование демонстрирует потенциальную стратегию инженерии для привлечения и удержания этих клеток в нужное время».
Новые кровеносные сосуды и рост нервных волокон
По мере проникновения иммунных клеток в обработанную область, в полости, образовавшейся в результате инсульта, также формировались новые кровеносные сосуды.
Исследователи обнаружили больше аксональных волокон как внутри, так и вокруг поврежденной области. Аксоны - это важные структуры, позволяющие клеткам мозга передавать сигналы.
Биологические изменения сопровождались улучшением двигательных функций.
Мыши, получавшие оптимизированный каркас, показали лучшие результаты в тесте на ходьбу по сетке, предназначенном для измерения ошибок в постановке передних конечностей. К восьмой неделе их результаты статистически не отличались от результатов здоровых контрольных мышей. Улучшение сохранялось и до конца исследования.
Строительные леса были необходимы.
Исследователи также проверили, могут ли внеклеточные везикулы оказывать аналогичное воздействие без использования биоматериального каркаса.
Они не могли.
Внеклеточные везикулы, введенные без каркаса MAP, не смогли обеспечить сопоставимое восстановление кровеносных сосудов. Этот вывод предполагает, что биоматериал делал больше, чем просто транспортировал терапевтические сигналы в мозг.
Пористая структура в сочетании со способностью концентрировать сигналы электромобилей в поврежденной области, по-видимому, имела решающее значение для процесса восстановления.
Это пока лишь ранняя стадия лечения.
Несмотря на многообещающие результаты, данный подход пока находится на доклинической стадии.
На данный момент исследователи протестировали метод лечения на мышах, вводя вещество непосредственно в поврежденный участок мозга.
Для оценки безопасности, точного понимания того, как различные популяции иммунных клеток влияют на восстановление, и определения эффективности лечения в более крупных моделях, более точно имитирующих инсульт у человека, потребуются дальнейшие исследования.
