神経系再生におけるバイオリアクター誘発電気刺激の役割

神経系は、現代の医学における最も有限な課題の1つです。他の組織とは異なり、ニューロンはセルフ修理のための限られた容量を持ち、怪我はしばしば永久的な機能的欠陥につながる。過去2年間のバイオリアクター誘発電気刺激は、神経修復に侵入障壁を克服するための有望な戦略として登場しました。神経系を組み合わせる、将来の研究的な研究計画を策定することにより、この神経系は、将来の再生メカニズムと相乗効果を促進します。

バイオリアクター誘電体刺激の理解

バイオリアクターは、組織工学のために正確に制御された物理的および化学的環境を提供する洗練された装置です。彼らは温度、pH、酸素レベル、および栄養供給を維持し、機械的または電気刺激を培養細胞に適用するか、または構造物に応用します。神経再生のコンテキストでは、バイオリアクターは、統合された電極を介して電気分野や電流を配信するために変更されます。このセットアップは、内因性電気信号を模倣します。トランスメンブレンポテンシャルや怪我電流など - 神経疾患および治癒中に自然に起こる。

電気刺激とバイオリアクターの組み合わせは、いくつかの利点を提供します。それは、細胞応答のリアルタイム監視、繰り返し、調整可能な刺激プロトコル、および複数の細胞タイプを共同培養する能力を可能にします。一般的なバイオリアクター構成には、並列プレート電極システム、導電性足場を二重に電極として、およびマイクロ流体装置を埋め込まれたマイクロ電極。各設計は、ターゲット神経タイプと負傷の重症度に合わせて調整されます。包括的な組織の概要については、バイオリアクター[F]を参照してください。

神経系再生の背後にあるメカニズム

電気刺激は、複数の相互接続された経路を介して神経再生に影響を及ぼします。これらのメカニズムを理解することは、治療プロトコルの最適化に不可欠です。

細胞の増殖および分化を高めること

電気分野は神経幹細胞および前駆細胞の増殖を促進することができます。調査は直接流れ(DC)の刺激が脳の導き出された神経刺激因子(BDNF)のような循環依存したキナーゼそして成長因子を増加させることを示しました。さらに、特定の周波数で流れを変えて神経またはgrialラインジに向け、傷害の場所のreparative細胞のプールを高めます。

軸成長と指導の促進

最もよく説明された効果の1つは、アクソンの方向の伸長です。神経は、電界ラインに沿って成長コーンを揃える - ガルバノトロプリズムとして知られている現象。このガイダンスは、カルシウムイオンと嚢胞性動態の非対称分布によって仲介されます。バイオリアク誘発刺激は、刺激されていない制御と比較して30〜50%で軸の長さを増加させることができ、重度のギャップに役立ちます。

Gene ExpressionとSignalingの調整

電気キューは、神経トロフィン、細胞密着分子、イオンチャネルのコーディングを含む再生に関与する遺伝子の数百の発現を変更します。例えば、トランスクリプション因子cAMP反応要素結合タンパク質(CREB)は、成長促進タンパク質43(GAP-43)および他の再生促進遺伝子の転写を増加させる、電気分野によって活性化されます。この再プログラミングは、成長促進された状態に変化する状態に変化します。

抑制性瘢痕形成の低減

神経の傷害の後で、反応性アストロサイトおよび線維芽細胞は、物理的および化学的にaxonの再生を妨げる密な一目撃の傷を形作ります。電気刺激はgrimal細胞の活動を調節するために示されていましたり、chondroitinの硫酸塩のproteoglycan (CSPGs)の沈着を減らすことはアキソンの延長のキーの抑制剤。炎症反応を弱め、そしてパーミッションの環境を促進することによって、生物的刺激は限界を高めます。

ネロトロフィインの刺激的なリリース

電気刺激は、神経成長因子(NGF)やSchwann細胞およびターゲット組織から神経トロフィン-3(NT-3)などの内因性神経トロフィンの放出をトリガーします。これらの要因は、神経の生存をサポートし、軸のスプーリングを導き、そして、骨髄の緩和を促進します。バイオリアクター文化では、制御された刺激は、高血圧レベルを維持し、高血圧症度なサポートを最大化できます。

神経系再生における電流アプリケーション

神経傷害および神経変性条件の複数のタイプのために生物反応誘発電気刺激は積極的に調査されます。

脊柱のコード傷害

Spinal[コード傷害(SCI)は、多くの場合、負傷部位を再生するために重度のアクソンの不全による病変の下における恒久的麻痺を引き起こします。バイオリアクターベースの電気刺激を使用しての臨床研究は、齧歯類モデルにおける機能的回復を実証しました。バイオマテリアルの足場と幹細胞移植と組み合わせて、電気刺激は、非結束性スプールー、合成、および電動スキャリッシュ機能低下および抗力検査を促進します。

周辺神経損傷

周辺神経の傷害は中心の神経系傷害より修理するためにより amenable です、しかし大きい deficits はまだポーズの挑戦。統合された電極が付いている神経の指導の conduits を使用してBioreactor システムは動物モデルの坐骨神経のギャップを橋渡しに使用されていました。電気刺激は axons の発生を加速し、筋肉萎縮を減らし、ターゲット organs の逆転を促進します。臨床試験は制動装置を早期に身に着けることにつける電気器具を下方にです。

神経変性疾患

より高度に、パーキンソンやアルツハイマー病などの神経変性疾患に対する生体反応による刺激の応用が有利になります。バイオリアクターを用いた生体モデルでは、慢性、低周波電気分野を患者幹細胞から派生する神経培養に応用できます。これらのシステムは、研究者が病気のメカニズムやスクリーンの潜在的な薬を研究するのに役立ちます。将来的には、インプラント可能なバイオリアクターのような装置は、疾患の進行や予防措置を遅らせるために局所的な電気療法を提供する可能性があります。

バイオリアクターの設計および電気刺激変数

このアプローチの成功は、電気刺激パラメータの慎重な制御に蝶番を付けます。主な変数は[現在の密度](典型的に10〜200 μA / cm2)、]パルス周波数[(1 Hzから100 Hz)、パルス時間(ミリ秒〜2ミリ秒〜2ミリ秒〜3秒)、パルス周波数)、および短時間[FLT:](短時間:])、および[FLT:])、および[FLT:](短時間:[FLT:])、および[FLT:[FLT:[FLT:])、および[FLT:](短時間:[F])、および[FLT:[FLT:[FLT:])、および[F])、および[FLT:[F]、および[F]、および[FLT:[FLT:[FLT:[F]、および[F]、および[F

バイオリアクター設計は、電極材料と配置を考慮する必要があります。プラチナや金のような貴金属は一般的に使用されるが、連続刺激の下で腐食することができます。ポリピロールやポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)などの導電性ポリマーは、より良いバイオコンパチビリティと柔軟性を提供します。高度なバイオリアクターは、リアルタイムインピーダンス測定や、余分なセル電位記録に基づいてパラメータを調整するフィードバックループを組み込む[F]の決定パラメータ[F]:[F]の決定]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:]

課題と考察

有望な非臨床結果にもかかわらず、臨床慣行にバイオリアクター誘発電気刺激をトランスレーションすることで、いくつかのハードルに直面しています。

[] 異なるNerveタイプのための最適化:[ 中央および周辺神経は、電気のcuesに異なる応答します。パラメータは、負の位置に調整されなければなりません、重症度、および患者の年齢。
ティッシュダメージと安全:[ 長持ちまたは高密度刺激は、反応酸素種または金属イオン放出を生成する電気化学反応を誘発することができます。生体適合コーティングと正確な波形制御は、害を最小限に抑える必要があります。
スケールとコスト:[]] 現在のバイオリアクターシステムは、多くの場合、大規模、カスタムビルド、高価です。広範囲にわたる臨床採用、コンパクト、費用対効果の高い、および使いやすいデバイスを開発する必要があります。
[Chronic対Acute Stimulation:[]])刺激の最適持続期間は衰退します。いくつかのプロトコルは、感染リスクやデバイス障害を増やす可能性がある、週に連続刺激を必要とします。
患者様変性:[] 遺伝的背景、年齢、合併症、およびすべての影響結果の適合性。パーソナライズされた刺激的な療法は、最大限の効力のために必要である可能性があります。

オンゴイニング研究では、これらの課題に、改善された電極材料、クローズドループ制御システム、および組み合わせの治療法を通して対処することを目指しています。臨床翻訳に対する障壁の詳細な検査については、神経再生療法の課題に関するこの記事を参照してください。

今後の方向性

次の10年は、生体反応器誘発電気刺激のための途方もない約束を保持しています。新興トレンドは次のとおりです。

高度なバイオマテリアルとの統合:[導電性ハイドロゲル、電子スピンナノファイバー足場、および3Dプリント誘導導電体は、構造的サポートと電極インタフェースの両方として機能し、ホスト組織との電気カップリングを強化することができます。
成長因子と幹細胞との結合:[]]バイオケミカルキューは、電気刺激と相乗します。神経刺激因子の共送またはバイオリアクター構造内の神経幹細胞の移植は、再生の可能性を最大化することができます。
[閉じたループと適応刺激:[]]神経活性や怪我状態を検出するためにバイオセンサーを使用して、将来のシステムは、最適な治療のためにリアルタイムで刺激パラメータを調整します。
[ パーソナライズド・メディス:] 患者由来の誘発性分幹細胞(iPSC)は、インプラント前にバイオリアクターで刺激プロトコルをテストするために使用することができ、カスタマイズされた治療を有効にします。
[ワイヤレスおよびインプラントブルバイオリアクタ:[])、怪我現場に注入できるバッテリー駆動装置を小型化し、外部に制御することで、慢性的なアプリケーションと生活の質が向上します。

これらの革新は包囲として、生物圏誘発電気刺激は神経組織工学の礎石になるためにpoised。

コンテンツ

バイオリアクター誘発電気刺激は、神経系再生の本質的な制限を克服するための強力なツールです。制御された環境における電気分野の再生効果を活用することで、研究者は細胞の増殖、ガイド軸成長、遺伝子発現の調整、および阻害性の瘢痕形成の低減を促進することができます。パラメータの最適化、安全性、およびスケーラビリティの課題は、材料科学、バイオエレクトロニクス、およびパーソナライズド医療の継続的な進歩が急速に促進される一方で、神経疾患の活性化に向け、神経疾患の予防接種が期待される可能性があります。神経疾患は、早期に適応する可能性があります。