Биоинженерные подходы к восстановлению поврежденных тканей спинного мозга

Нереализованная потребность: восстановление функции после травмы спинного мозга

Травма спинного мозга (ИБК) остается одной из самых разрушительных травм, которые человек может испытать, часто приводя к постоянному параличу, потере ощущений и нарушению вегетативных функций ниже уровня травмы. Каждый год тысячи людей во всем мире поддерживают ИБК, причем большинство из них - молодые люди, которые сталкиваются с пожизненной инвалидностью. На протяжении десятилетий медицинское сообщество сосредоточилось на управлении осложнениями, но последние прорывы в биоинженерии меняют парадигму от паллиативности к ремонту. Объединив материаловедение, клеточную биологию и нейронную инженерию, исследователи разрабатывают стратегии для реконструкции поврежденных тканей спинного мозга и восстановления утраченной функции. В этой статье исследуется текущее состояние биоинженерных подходов, их основные механизмы и препятствия, которые остаются до того, как эти методы лечения станут стандартной медицинской помощью в клинике.

Главная » Новости » Почему спинной мозг не может сам себя исцелить

Анатомия уязвимого шоссе

Спинной мозг действует как центральная коммуникационная магистраль между мозгом и телом. Он состоит из длинных трактов аксонов (нервных волокон), поддерживающих глиальные клетки (олигодендроциты, астроциты, микроглия) и сложного внеклеточного матрикса (ЭКМ), который обеспечивает структурную и биохимическую поддержку. После травмы спинной мозг млекопитающих не может эффективно регенерировать по нескольким причинам. Во-первых, поврежденные аксоны убираются и образуют опухшие, нефункциональные окончания, называемые дистрофическими луковицами. Во-вторых, участок травмы заполняется плотным глиальным рубцом, состоящим в основном из реактивных астроцитов и ингибирующих молекул ECM, таких как протеогликаны хондроитина сульфата (ЦСПГ). Этот рубец физически блокирует рост аксона и биохимически отталкивает их. В-третьих, воспалительная среда является как необходимым ответом на прозрачный мусор, так и источником вторичного повреждения, которое убивает соседние нейроны и олигодендроциты. В-четвертых

Типы травм спинного мозга

ТПП в целом классифицируются как полные (без функции ниже уровня травмы) или неполные (некоторая остаточная функция). Механизм повреждения (ушиб, сжатие, рваная рана или трансекция) сильно влияет на регенеративный потенциал. Травмы ушиба - распространенные в автомобильных авариях - создают центральную полость, окруженную ободом из сохранившейся ткани. Напротив, резкие трансекции (например, ножевые раны) производят чистый разрыв. Каждый тип требует индивидуального подхода к реконструкции: каркас для полости или мост для трансектированного разрыва. Понимание этих нюансов имеет решающее значение при проектировании биоинженерных имплантатов.

Биоинженерные стратегии: строительство моста через воды

Современная биоинженерия для SCI направлена на замену утраченной ткани, руководство регенерацией аксонов, обеспечение трофической поддержки и восстановление функциональной связи. Область объединилась вокруг нескольких дополнительных стратегий, часто объединенных для синергетического эффекта.

Биоматериальные леса: имитирующие структуру природы

В качестве искусственных внеклеточных матриц служат трехмерные шаблоны прикрепления клеток, миграции и роста аксонов. В идеале, каркас должен быть биосовместимым, биоразлагаемым (разлагающимся со скоростью, соответствующей врастанию тканей), пористым (чтобы обеспечить обмен питательными веществами и кислородом) и механически похожим на нативную ткань спинного мозга. Появились два широких класса: натуральные и синтетические материалы.

Натуральные полимерные каркасы:] Коллаген, фибрин, гиалуроновая кислота и альгинат широко используются из-за присущей им биоактивности. Например, было показано, что каркасы на основе коллагена уменьшают образование полости и поддерживают прорастание аксона в моделях SCI грызунов. Фибриновые каркасы, нагруженные факторами роста, могут обеспечить устойчивый выпуск, который химиоаттрактирует аксоны.
Синтетические полимерные каркасы: Поли(молочная ко-гликолевая кислота) (PLGA), поликапролактон (PCL) и полиэтиленгликоль (PEG) обеспечивают настраиваемые скорости деградации и механические свойства. Электрозакрученные нановолоконные каркасы, изготовленные из PCL, могут выровняться, чтобы направлять рост аксона в направлении, имитируя параллельную организацию спинномозговых путей.
Гидрогели:] Инъекционные гидрогели, которые затвердевают in situ, особенно привлекательны для минимально инвазивной доставки. Они могут легко заполнять нерегулярные полости. Например, самосборочные гидрогели на основе пептидов могут быть разработаны для представления эпитопов, способствующих росту, таких как IKVAV (найден в ламинине), которые, как было показано, способствуют расширению нейрита и уменьшают глиоз в доклинических моделях.

Веховое исследование Khaing et al. (2016) продемонстрировало, что гидрогели гиалуроновой кислоты, модифицированные с помощью фермента, разрушающего CSPG, могут разрушать ингибирующие компоненты глиального рубца, позволяя регенерацию через участок поражения у крыс. Эти результаты иллюстрируют, как химия каркаса может напрямую решать биохимические барьеры для регенерации.

Стволовая клеточная терапия: замена потерянных клеток

Взрослому спинному мозгу не хватает внутренних популяций стволовых клеток, необходимых для регенерации потерянных нейронов и глии. Поэтому трансплантация экзогенных стволовых клеток является краеугольным камнем биоинженерии. В настоящее время исследуются несколько источников клеток:

Нейронные стволовые клетки (НСК): Происходящие из ткани плода или индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSCs), НСК могут дифференцироваться в нейроны, астроциты и олигодендроциты. После трансплантации в поврежденный спинной мозг они могут образовывать новые релейные цепи и ремиелинаты, избавленные от аксонов. Крупный прорыв произошел от Lu et al. (2012), который показал, что человеческие НСК, полученные из iPSC, выжили в течение нескольких месяцев у иммунодефицитных крыс, сформировали синапсы и способствовали функциональному восстановлению передней конечности.
Клетки-предшественники олигодендроцитов (OPCs): Поскольку демиелинизация способствует функциональной потере, OPC пересаживают специально для ремиелинизации сохраненных, но обезболенных аксонов. Клинические испытания с использованием OPC, полученных из эмбриональных стволовых клеток человека (AST-OPC1), показали безопасность и предварительную эффективность у пациентов с хроническим ТПП, причем некоторые участники получают улучшения моторики.
Мезенхимальные стволовые клетки (МСК):] В то время как МСК не легко становятся нейронами, они выделяют множество нейротрофических факторов (BDNF, NGF, GDNF) и иммуномодулирующих молекул, которые ослабляют воспаление, защищают ткани хозяина и стимулируют эндогенный ремонт. МСК также являются иммунопривилегированными, что позволяет проводить аллогенную трансплантацию без тяжелой иммуносупрессии. Многочисленные клинические испытания сообщили о безопасности и умеренных функциональных преимуществах после интратекальной или внутримедуллярной инъекции МСК.
Шванновские клетки:] Эти периферические нервные глиальные клетки могут миелинизировать аксоны и производить разрешительный ECM. Они были пересажены в поврежденный шнур, часто внутри каналов наведения, и показали способность способствовать регенерации аксона через поражение. Однако клетки Шванна плохо интегрируются с тканью центральной нервной системы (ЦНС), ограничивая регенерацию на большие расстояния.

Факторы роста и биоактивные молекулы

Регенерация требует не только разрешительных субстратов, но и соответствующих химических сигналов. Нейротрофные факторы, такие как нейротрофический фактор мозга (BDNF), фактор роста нервов (NGF), нейротрофин-3 (NT-3) и нейротрофический фактор глиальной линии клеток (GDNF), способствуют росту аксона, выживанию нейронов и синаптической пластичности. Однако прямая инъекция этих белков имеет короткий период полураспада и может вызывать побочные эффекты. Поле превратилось в контролируемые системы доставки, интегрированные с каркасами или микросферами.

Например, NT-3, высвобождаемый из каркаса фибрина, способствовал надежной регенерации аксонов кортикоспинальных трактов через полную трансекцию у крыс. Комбинирование нескольких факторов роста может производить синергетические эффекты. Помимо нейротрофинов, небольшие молекулы, такие как дибутирилциклический AMP (dbcAMP) и ингибиторы передачи сигналов Rho/ROCK (такие как C3-трансфераза), могут блокировать ингибирующие сигналы CSPG и миелин-ассоциированных гликопротеинов, высвобождая внутреннюю способность роста поврежденных аксонов. Векторы генной терапии (например, аденоассоциированный вирус, AAV) также могут использоваться для доставки генов фактора роста к клеткам-хозяевам, обеспечивая устойчивую местную экспрессию.

Электрическая стимуляция и магнитная стимуляция

Сама нейронная активность способствует росту и пластичности. Электрическая стимуляция (ЭС), применяемая к поврежденному спинному мозгу или к регенерирующим нервам, может повысить экспрессию нейротрофина, направлять ориентацию аксона через гальванотаксис и предотвращать атрофию денервированных тканей-мишеней. В моделях на животных двуфазная импульсная ЭС, доставляемая через имплантированные электроды, усиливает регенерацию аксонов на лесах и улучшает функциональное восстановление в сочетании с физической реабилитацией.

Транзкутанная стимуляция спинного мозга (tSCS) и эпидуральная электрическая стимуляция (EES) в настоящее время перемещаются к людям. Новаторская работа Harkema et al. (2011) показала, что эпидуральная стимуляция в сочетании с специальной тренировкой позволила людям с полным моторным параличом добровольно перемещать ноги. Хотя эти подходы не являются строго регенеративными, они активируют спинальные цепи ниже поражения, обеспечивая функциональный инструмент реабилитации, который может быть в паре с биоинженерными трансплантатами.

Магнитная стимуляция (транскраниальная магнитная стимуляция, TMS) также изучается на предмет ее способности вызывать пластичность и модулировать воспаление. Неинвазивная и безболезненная TMS может стать дополнительной терапией для заточки шнура для регенерации после имплантации каркаса.

Редактирование генов и эпигенетическое программирование

CRISPR-Cas9 и связанные с ним технологии предлагают беспрецедентную способность модифицировать геном трансплантированных клеток или тканей хозяина. Например, выбивание гена PTEN в нейронах замедляет их внутреннюю способность к росту, позволяя устойчивую регенерацию аксона после SCI у мышей. В сочетании с вектором AAV, доставленным в сенсорную кору, делеция PTEN стимулирует прорастание кортикоспинальных трактов. Аналогичным образом, переэкспрессия факторов транскрипции, таких как KLF7, может перепрограммировать зрелые нейроны в регенеративное состояние.

Эпигенетические препараты, такие как ингибиторы гистоновой деацетилазы (HDACi), могут изменять структуру хроматина для усиления экспрессии генов, связанных с регенерацией. В сочетании с каркасами эти молекулы могут навсегда изменить реакцию клеток-хозяев на повреждение. Однако риск нецелевых эффектов (например, опухолевый генезис) требует тщательного тестирования безопасности перед клиническим переводом.

Проблемы на пути к клиническому успеху

Интеграция и реконструкция окружности

Даже если аксоны растут по эшафоту, они должны образовывать синапсы с соответствующими мишенями. Проводка может привести к болевым синдромам (дисестетическая боль) или потере функции. Спинной мозг изысканно организован, с определенными трактами для моторной, сенсорной и автономной функции. Биоинженерные подходы должны направлять не только рост, но и направленную специфичность. Градиенты химиотропных молекул (например, нетрины, семафорины) могут быть встроены в эшафоты для привлечения определенных подклассов аксонов, но достижение точного формирования схемы остается большой проблемой.

Иммунное отторжение и хроническое воспаление

Трансплантированные клетки, особенно аллогенные или ксенотрансплантатные клетки, могут быть отвергнуты иммунной системой хозяина. Даже если используется иммуносупрессия, она несет риски инфекции и злокачественности. аутологичные трансплантаты, полученные из iPSC, избегают иммунного отторжения, но требуют времени и затрат для генерации для каждого пациента. Биоматериалы также могут вызывать реакции инородного тела, что приводит к фиброзу вокруг имплантата. Проектирование каркасов, которые подавляют воспаление (например, высвобождая IL-10 или ингибируя активацию макрофагов) является активной областью исследований.

Шрам-барьер и безопасность

Глиальный рубец является как физическим барьером, так и биохимическим минным полем. Разбиение ЦСПГ хондроитиназой АВС показало себя многообещающим, но чрезмерная деградация может вызвать нестабильность тканей. Аналогичным образом, удаление реактивных астроцитов может позволить разрастанию воспаления. Необходимо соблюдать баланс: рубец должен управляться, а не устранять полностью. Помехи, которые медленно высвобождают рубцово-модифицирующие ферменты или имитируют гликозаминогликановый состав растворенного рубца, могут обеспечить безопасный компромисс.

Масштабирование от скамейки до Bedside

Модели грызунов часто не могут предсказать результаты человека из-за различий в масштабе, иммунной системе и анатомической сложности. Модели свиней или нечеловеческих приматов более актуальны, но дорогостоящи и этически сложны. Клинические испытания биоинженерных лесов и клеточной терапии находятся на ранних стадиях (I / II), уделяя особое внимание безопасности и осуществимости. FDA еще не одобрило ни одну биоинженерную конструкцию спинного мозга для общего использования. Однако импульс ясен: академические консорциумы и компании продвигаются к основным испытаниям. Первым продуктом для достижения одобрения рынка, вероятно, будет комбинированный продукт (растение клеток + клетки + факторы роста) для конкретного типа травмы.

Будущие направления: синергия и персонализация

Мультимодальная комбинированная терапия

Наиболее перспективные подходы сочетают в себе несколько стратегий: биоматериал каркаса, засеянный нейронными стволовыми клетками, полученными из iPSC, высвобождающий коктейль факторов роста, доставляемый с временной иммуносупрессией, и сопровождаемый интенсивной реабилитацией с эпидуральной стимуляцией. Ранние результаты таких комбинаторных исследований на крупных животных обнадеживают, а некоторые животные восстанавливают вес. В следующем десятилетии эти комбинации войдут в первые испытания на людях после тщательной оптимизации дозирования и времени.

3D-биопечать для специальных трансплантатов пациентов

Трехмерная биопечать с использованием iPSCs, полученных от пациента, и настраиваемых биоинки ECM предлагает возможность воспроизвести точную геометрию места повреждения и анизотропную микроархитектуру спинного мозга. Доклиническая работа уже произвела печатную ткань спинного мозга, которая при трансплантации крысам интегрировалась с тканью хозяина и поддерживала рост аксона. В будущем врач может сфотографировать травму пациента с помощью МРТ, спроектировать каркас с точностью до миллиметров и напечатать его в течение нескольких часов — объединив правильные клетки и факторы для этого человека.

Закрытый нейронный интерфейс

Биоинженерные ткани должны будут взаимодействовать с электронными устройствами для быстрого восстановления функции. Имплантируемые нейронные интерфейсы (например, массивы Юты, гибкие электродные манжеты), размещенные над и под поражением, могут записывать двигательные команды из мозга и доставлять их в мышцы или в спинномозговую стимуляцию. Комбинирование моста регенерации с временным или постоянным электронным обходом может обеспечить немедленное восстановление движения при регенерации. Работа Кортин и ее коллег продемонстрировала силу таких гибридных подходов как у грызунов, так и у приматов.

Этические и нормативные соображения

С появлением редактирования генов и плюрипотентных стволовых клеток возникают этические вопросы: должны ли мы создавать «сверхнормальные» нейроны, которые растут слишком агрессивно? Как мы соглашаемся с пациентами в первых испытаниях на людях, когда данные о животных неполны? Эти проблемы должны решаться активно через привлечение пациентов, этиков и регуляторов. Международное общество исследований стволовых клеток (ISSCR) выпустило руководящие принципы для ответственного перевода, и появляются аналогичные рамки для биоинженерных конструкций.

Вывод: новая эра для ремонта спинного мозга

Биоинженерия перешла от теоретических спекуляций к ощутимым доклиническим и клиническим вмешательствам для повреждения спинного мозга. Реконструируя поврежденные ткани с помощью сложных каркасов, стволовых клеток, факторов роста и электрической стимуляции, исследователи демонстрируют, что регенерация - когда-то считавшаяся невозможной - достижима. Проблемы интеграции, безопасности и масштабирования остаются значительными, но темпы открытия ускоряются. Для миллионов людей, живущих с SCI, надежда - это не просто мечта, но проверяемая гипотеза, которая постепенно проверяется в лабораториях и клиниках по всему миру. Продолжение междисциплинарного сотрудничества станет ключом к окончательному раскрытию способности организма исцелять его наиболее критический нейронный путь.

Внешние ресурсы для дальнейшего чтения: