Biomedische ingenieurs van Duke University hebben een injecteerbaar biomateriaal bedacht dat hersenen mogelijk echt helpt te herstellen na een ischemische beroerte. In muisexperimenten veranderde de gelei de holte die achterbleef na dood hersenweefsel in een gezellige genezingshub, waarbij het lichaamseigen immuuncellen aantrok, nieuwe bloedvaten liet groeien, neuraal weefsel aanpaste en de knaagdieren betere motorische vaardigheden gaf. De bevindingen zijn gepubliceerd in Cell Biomaterials.

Dit is het probleem met beroertes: elk jaar krijgen miljoenen mensen een ischemische beroerte, waarbij een bloedstolsel de bloedtoevoer naar een deel van de hersenen blokkeert. Spoedbehandelingen zoals clot-oplossende medicijnen of fysieke verwijdering van het stolsel kunnen nog levensvatbaar weefsel redden, maar zodra hersenweefsel dood is, is het weg. Ernstige beroertes kunnen een gapend gat achterlaten waar voorheen hersenen zaten, en revalidatie kan maar zo veel doen - het helpt overlevende circuits zich aan te passen, maar bouwt de verloren regio niet weer op.

"Zodra hersenweefsel verloren is, is het herstellen van de bloedstroom niet langer voldoende," zei Tatiana Segura, de Robert Plonsey Distinguished Professor of Biomedical Engineering aan Duke. "Ons doel is om de gewonde ruimte zo te ontwerpen dat immuun-, vasculaire en neurale herstelprocessen kunnen gaan samenwerken."

Het team creëerde een omgeving in de beroerteholte die meerdere soorten herstel tegelijk ondersteunt. Ze gebruikten MAPS - microporous annealed particle scaffolds - dit zijn hydrogeldeeltjes die zich assembleren tot een poreuze structuur, die een raamwerk biedt voor cellen om neuraal weefsel weer op te bouwen. Maar daar bleven ze niet bij. Ze wilden ook het immuunsysteem benutten, met de focus op astrocyten, die stervormige cellen die snel reageren op hersenletsel. Astrocyten geven extracellulaire blaasjes (EV's) af - kleine pakketjes met eiwitten, lipiden en genetisch materiaal die andere cellen beïnvloeden.

In plaats van alleen EV's in het beschadigde gebied te injecteren, hechtten de wetenschappers ze chemisch aan de hydrogeldeeltjes. Dit hield de signalen geconcentreerd binnen de scaffold, waardoor binnenkomende cellen een betere kans hadden om ze tegen te komen. "We plaatsen niet zomaar een materiaal in de hersenen," zei Segura. "We ontwerpen een lokale omgeving die verschillende delen van de herstelreactie kan coördineren."

Eén signaalcombinatie sprong eruit: IL-4 en C1q, die nuttige immuuncellen aantrokken, zoals macrofagen en een verrassend hardnekkige populatie neutrofielen. Neutrofielen zijn meestal de boosdoeners bij vroege ontstekingen na een beroerte, maar de resultaten suggereren dat hun rol genuanceerder is. Later, met de juiste signalen, zouden ze herstel juist kunnen ondersteunen. Toen onderzoekers deze neutrofielen depleteerden, kelderde de vorming van bloedvaten en werd de scaffold minder hergemodelleerd - een bewijs dat deze cellen ertoe doen.

"Dit resultaat verandert hoe we denken over neutrofielen na een beroerte," zei Shangjing Xin, hoofdwetenschapper en postdoc in het Segura Lab. "Hun rol lijkt af te hangen van wanneer ze arriveren, waar ze zich bevinden en de signalen die ze uit hun omgeving ontvangen. Onze studie toont een mogelijke technische strategie om deze cellen op het juiste moment te rekruteren en vast te houden."

Terwijl immuuncellen binnentrokken, vormden zich nieuwe bloedvaten door de hele holte, en namen axonale vezels - de communicatiekabels van de hersenen - toe zowel binnen als rond het gewonde gebied. De muizen werden ook beter in een grid-walking test (die misstappen van de voorpoten meet), en na acht weken waren ze statistisch niet meer te onderscheiden van gezonde controles. De verbetering hield aan voor de rest van de studie.

Het team probeerde ook EV's zonder de scaffold, maar die slaagden er niet in om vergelijkbaar herstel van bloedvaten te bewerkstelligen. Dus het biomateriaal is niet alleen een aflevervoertuig - de poreuze architectuur en het vermogen om signalen geconcentreerd te houden zijn cruciaal.

Natuurlijk is dit alles nog preklinisch. De behandeling is alleen getest op muizen, met directe injectie in de hersenen. Er is meer onderzoek nodig om de veiligheid te beoordelen, de rol van immuuncellen te begrijpen en te zien of het werkt in grotere modellen die dichter bij een menselijke beroerte staan. Ook komen de EV's momenteel van ratten-astrocyten; de la