Група японських науковців розробила прототип імплантованого каркаса для сприяння відновленню нервів, зокрема спинного мозку. Він утворений із міцного полімерного матеріалу у вигляді багатошарової решітки, і як показали попередні досліди з культурами клітин, дозволяє спрямувати ріст нейронів уздовж його волокон та крізь шари для ефективнішої регенерації нервів. Розроблення та результати випробування винаходу описані в журналі Materials Science and Engineering: C.
Lokesh Agrawal et al. / Materials Science and Engineering: C
Чому саме цей підхід до лікування травм спинного мозку досліджували?
Травми спинного мозку можуть призводити до втрати чутливості в частинах тіла або навіть паралічу. Відновити вражену нервову тканину, яка до того ж обростаює гліальним рубцем, наразі є складним завданням, хоча вчені вбачають різні підходи до розв'язання проблеми. Одні досліди показали потенціал використання наноматеріалів із рухливішими ніж звичайно молекулами. А інші вказали на високу ефективність штучної молекули, виробляти яку змусили мишачі нейрони, що призвело до усунення паралічу внаслідок травми спинного мозку у тварин.
Ще один варіант полягає у використанні біосумісних каркасів або решіток, які імітували би середовище позаклітинного матриксу для нейронів, стимулюючи їх до відновлення. Зокрема, життєздатність цієї ідеї показали досліди, де для підтримання вражених нейронів використали пористий гелеподібний матеріал. У його пори могли мігрувати нейрони, де матеріал змушував їх виробляти речовину, що сприяє кращому відновленню та функціонуванню аксонів. Проте такі каркаси часто не сприяють орієнтації нервових клітин у просторі та не направляють їхній зріст , хоча це помітно покращило б регенерацію. Зазвичай нейрони ростуть радіально, від центру, але у випадку із враженнями спинного мозку ефективніше, якщо вони зростатимуть уздовж, з'єднуючи відростками роз'єднані травмою краї. Інженери та нейронауковці Окінавського інституту науки й технологій запропонували власний каркасний матеріал для регенерації спинного мозку та нервів, який поєднує в собі біосумісність та можливість тривимірного направлення зросту клітин у ньому.
Як розробити вдосконалений каркас для нейронів?
Науковці використали сучасну методику, що називається двофотонною літографією. Вона дає змогу утворювати точні нанорозмірні структури завдяки використанню лазера та світлочутливого рідкого полімеру. При потраплянні полімерного матеріалу під дію лазерного променя він твердіє, тоді як необроблені його ділянки залишаються рідкими і їх можна в кінці змити.
Спочатку вчені змоделювали, яким має бути каркас, щоб забезпечити спрямований ріст нейронів. Відтак, керуючи рухом лазера, вчені створили тривимірну квадратну решітку зі сторонами 1 на 1 міліметр та висотою усього в 100 мікрометрів із синтетичного матеріалу IP-Dip. «Прути» решітки із нановолокон діаметром в 1 мікрометр покликані були зімітувати волокнисту структуру позаклітинного матриксу.
Які властивості продемонстрував матеріал?
Фізико-хімічний аналіз вказав, що каркас є термостабільним (витримуючи нагрівання до понад 200 градусів Цельсія) та витривалим до деформацій. Значить, він може згодитися як імплантат для різних тканин організму.
Біосумісність та, власне, доцільність використання матеріалу для відновлення нервів перевіряли наразі на культурах мишачих клітин — дорзальних корінцевих нейронах та мотонейронах. Для цього використали об'ємніші каркаси з розмірами 3 на 3 міліметри і 10 мікрометрів у висоту, покриті білками позаклітинного матриксу для забезпечення потрібного зчеплення з матеріалом та зростання нейронів. За 48 годин вчені не виявили погіршення виживаності клітин, що дає змогу припустити достатню біосумісність матеріалу. При цьому аксони нервових клітин зростали саме у тому напрямку, який задавали їм волокна каркасу (на відміну від плоских каркасів, де відростки нейронів розходилися радіально, у всі боки).
А. Радіальне зростання нейронів на контрольній плоскій поверхні (зліва) та спрямоване вздовж волокон на решітці (справа). В. Тривимірна модель нейронів (червоні), що зростають на поверхні та краях полімерного каркаса. Lokesh Agrawal et al. / Materials Science and Engineering: C, 2021
Тоді вчені випробували ще об'ємніший варіант каркасу, у якому шари решітки перекривалися б, а розмір проміжків складав би 25-50 мікрометрів — достатньо для проникнення в них нейронів. Як з'ясувалося, така структура дає змогу формувати ще ефективнішу мережу, обростаючи клітинами по всьому об'єму. Нейрони успішно заселили усі шари та вирівняли ріст аксонів уздовж волокон різних шарів. Надалі потрібно провести додаткові дослідження на тваринах, щоб зрозуміти, як працюватиме технологія в живому організмі.
Нейрони вросли в багатошаровий каркасний матеріал. Клітини забарвлені відповідно їхньої глибини занурення в каркас. Lokesh Agrawal et al. / Materials Science and Engineering: C, 2021