Исследователи из Северо-Западного университета в Чикаго, штат Иллинойс, разработали инъекционную терапию на основе нановолокна, которая позволила парализованным мышам с тяжелыми травмами спинного мозга восстановить способность ходить всего за четыре недели. В терапии используются т. н. танцующие молекулы.
Исследование было опубликовано в номере от 12 ноября. журнала Science.
Посылая биоактивные сигналы, запускающие клетки для восстановления и регенерации, революционная терапия значительно улучшает состояние при тяжелых травмах спинного мозга по пяти ключевым направлениям:
1. регенерируются укороченные отростки нейронов, называемые аксонами;
2. значительно уменьшается рубцовая ткань, которая может создавать физический барьер для регенерации и восстановления;
3. вокруг клеток восстанавливается миелин, изолирующий слой аксонов, который важен для эффективной передачи электрических сигналов;
4. формируются функциональные кровеносные сосуды для доставки питательных веществ к клеткам в месте повреждения;
5. Выжило больше двигательных нейронов.
После того, как терапия выполнила свою функцию, материалы биоразлагаются до питательных веществ для клеток в течение 12 недель, а затем полностью исчезают из организма без заметных побочных эффектов.
Это первое исследование, в котором ученые контролируют коллективное движение молекул посредством изменений в химической структуре для повышения эффективности терапевтического препарата.
«Наше исследование направлено на поиск терапии, которая может предотвратить паралич у людей после тяжелой травмы или болезни», — сказал Сэмюэл И. Ступ из Северо-Запада, который руководил исследованием. - На протяжении десятилетий это остается большой проблемой для ученых, поскольку центральная нервная система нашего организма, в которую входят головной и спинной мозг, не обладает значительной способностью восстанавливаться после травм или после начала дегенеративного заболевания. Мы уже обратились непосредственно в FDA, чтобы начать процесс утверждения этой новой терапии для использования у людей, у которых в настоящее время мало вариантов лечения».
Ступ — профессор материаловедения и инженерии, химии, медицины и биомедицинской инженерии. Он является основателем Симпсонского института бионанотехнологий (SQI) и связанного с ним исследовательского центра, Центра регенеративной наномедицины при Северо-Западном университете в Чикаго, штат Иллинойс. Он также работал в Инженерной школе Маккормика, Колледже искусств и наук Вайнберга и Медицинской школе Файнберга.
Продолжительность жизни не увеличилась с 1980-х годов
По данным Национального центра статистики травм спинного мозга, около 300 000 человек в настоящее время живут с травмами спинного мозга в Соединенных Штатах. Жизнь большинства таких пациентов крайне тяжела.
Менее 3% людей с полной травмой в какой-то момент могут восстановить свои основные физические функции. И примерно 30% пациентов повторно госпитализируются не реже одного раза в год после первоначальной травмы, что в среднем обходится в миллионы долларов в виде средних затрат на здравоохранение для жизни пациентов. Ожидаемая продолжительность жизни людей с травмами спинного мозга значительно ниже и не увеличивалась с 1980-х годов.
«В настоящее время нет терапевтических средств, которые могут вызвать регенерацию спинного мозга», — сказал профессор Ступ, эксперт в области регенеративной медицины. - Я хотел изменить неблагоприятный прогноз у пациентов с травмой спинного мозга и решить эту проблему, учитывая огромное влияние, которое она может оказать на их жизнь. Кроме того, новая наука о травмах спинного мозга может оказать влияние на стратегии лечения нейродегенеративных заболеваний и инсульта».
«Танцующие молекулы» поражают движущиеся цели
Секрет новой передовой терапии профессора Ступа заключается в том, чтобы отрегулировать движение молекул, чтобы они могли находить постоянно движущиеся клеточные рецепторы и должным образом задействовать их. Введенная в виде жидкости, терапия сразу же превращается в сложную сеть нановолокон, имитирующих внеклеточный матрикс спинного мозга. Сравнивая структуру матрицы, имитируя движение биологических молекул и включая сигналы к рецепторам, синтетические материалы способны взаимодействовать с клетками.
«Рецепторы в нейронах и других клетках постоянно перемещаются», — сказал профессор Ступ. - Ключевое нововведение в наших исследованиях, которое никогда раньше не делалось, заключается в том, чтобы контролировать коллективное движение более 100 000 молекул в наших нановолокнах. Заставляя молекулы двигаться, «танцевать» или даже временно выпрыгивать из этих структур, известных как супрамолекулярные полимеры, они способны более эффективно связываться с рецепторами».
Профессор Ступ и его команда обнаружили, что точная настройка движения молекул в сети нановолокон, чтобы сделать их более гибкими, приводит к большей терапевтической эффективности у парализованных мышей. Они также подчеркнули, что улучшенная молекулярная двигательная терапия показала лучшие результаты во время испытаний in vitro с человеческими клетками, которые показали повышенную биологическую активность и клеточную передачу сигналов.
«Учитывая, что сами клетки и их рецепторы находятся в постоянном движении, молекулы, движущиеся быстрее, будут чаще сталкиваться с этими рецепторами», — добавил профессор Ступ. «Если молекулы медленные и не такие «социальные», они могут никогда не вступить в контакт с клетками».
Одна инъекция, два сигнала
После соединения с рецепторами «движущиеся молекулы» запускают два каскадных сигнала, которые имеют решающее значение для восстановления спинного мозга. Один сигнал побуждает к регенерации длинные хвосты нейронов в спинном мозге, называемые аксонами.
Подобно электрическим кабелям, аксоны посылают сигналы между мозгом и остальным телом. Разрезание или повреждение аксонов может привести к потере чувствительности в теле или даже к параличу. С другой стороны, восстановление аксонов увеличивает связь между телом и мозгом.
Второй сигнал помогает нейронам выжить после травмы, вызывая пролиферацию других типов клеток, способствуя повторному росту утраченных кровеносных сосудов, которые питают нейроны и критические клетки восстановления тканей. Терапия также вызывает восстановление миелина вокруг аксонов и уменьшает глиальные рубцы, которые действуют как физический барьер, препятствующий заживлению спинного мозга.
«Сигналы, использованные в исследовании, имитируют природные белки, необходимые для получения желаемых биологических реакций. Однако белки имеют чрезвычайно короткий период полураспада и дороги в производстве, говорит Зайда Альварес, первый автор исследования и бывший научный сотрудник в лаборатории профессора Ступа. - Наши синтетические сигналы представляют собой короткие модифицированные пептиды, которые, будучи соединены вместе тысячами, будут сохраняться в течение нескольких недель, обеспечивая биологическую активность. Конечным результатом является терапия, которая дешевле в производстве и действует намного дольше.
Универсальное приложение
В то время как новая терапия может быть использована для предотвращения паралича после тяжелых травм (автомобильных аварий, падений, спортивных и огнестрельных ранений), а также заболеваний, профессор Ступ считает, что основной вывод о том, что «супрамолекулярное движение» является ключевым фактором биоактивности, может применяться к другим методам лечения и мишеням.
«Ткани центральной нервной системы, которые мы успешно регенерировали в поврежденном спинном мозге, аналогичны тканям головного мозга, пораженным инсультом и нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера», — сказал профессор Ступ. «Кроме того, наше фундаментальное открытие контроля движения молекулярных ансамблей для улучшения клеточной передачи сигналов может быть повсеместно применено в биомедицинских целях».
Подписывайтесь на «Гродно 24» в Дзен Новости и на наш канал в Дзен