Inżynierowie biomedyczni z Duke University wymyślili wstrzykiwalny biomateriał, który może faktycznie pomóc mózgowi wrócić do formy po udarze niedokrwiennym. W eksperymentach na myszach ta maź przekształciła jamę pozostawioną przez martwą tkankę mózgową w przytulne centrum regeneracji, rekrutując własne komórki odpornościowe organizmu, tworząc nowe naczynia krwionośne, modyfikując tkankę nerwową i poprawiając zdolności motoryczne gryzoni. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Cell Biomaterials.
Oto sedno sprawy z udarami: miliony ludzi co roku doznaje udaru niedokrwiennego, gdy skrzep krwi blokuje dopływ krwi do części mózgu. Leczenie doraźne, takie jak leki rozpuszczające skrzepy lub fizyczne usunięcie skrzepu, może uratować jeszcze żywotną tkankę, ale gdy tkanka mózgowa obumrze, już nie wróci. Ciężkie udary mogą pozostawić ogromną dziurę w miejscu, gdzie był mózg, a rehabilitacja może tylko tyle – pomaga przetrwałym obwodom się przystosować, ale nie odbudowuje utraconego obszaru.
„Gdy tkanka mózgowa zostanie utracona, przywrócenie przepływu krwi już nie wystarczy” – powiedziała Tatiana Segura, profesor inżynierii biomedycznej im. Roberta Plonseya na Duke. „Naszym celem jest zaprojektowanie uszkodzonej przestrzeni tak, aby procesy naprawcze odpornościowe, naczyniowe i nerwowe mogły zacząć współpracować”.
Zespół stworzył środowisko wewnątrz jamy po udarze, które wspiera wiele rodzajów naprawy jednocześnie. Użyli MAPS – mikroporowatych rusztowań z cząstek annealowanych – czyli hydrożelowych mikrocząstek, które łączą się w porowatą strukturę, zapewniając rusztowanie dla komórek do odbudowy tkanki nerwowej. Ale na tym nie poprzestali. Chcieli również wykorzystać układ odpornościowy, skupiając się na astrocytach, tych gwiaździstych komórkach, które szybko reagują na uszkodzenie mózgu. Astrocyty uwalniają pęcherzyki zewnątrzkomórkowe (EV) – maleńkie paczki białek, lipidów i materiału genetycznego, które wpływają na inne komórki.
Zamiast po prostu wstrzykiwać EV w uszkodzony obszar, naukowcy chemicznie przyczepili je do mikrocząstek hydrożelu. To utrzymywało sygnały skoncentrowane w rusztowaniu, dając nadchodzącym komórkom większą szansę na ich napotkanie. „Nie tylko umieszczamy materiał w mózgu” – powiedziała Segura. „Projektujemy lokalne środowisko, które może koordynować kilka części odpowiedzi naprawczej”.
Jedna kombinacja sygnałów wyróżniała się: IL-4 i C1q, które przyciągały pomocne komórki odpornościowe, takie jak makrofagi i zaskakująco trwałą populację neutrofili. Neutrofile są zwykle tymi złymi we wczesnym zapaleniu po udarze, ale wyniki sugerują, że ich rola jest bardziej złożona. Później, przy odpowiednich sygnałach, mogą faktycznie wspierać naprawę. Kiedy naukowcy usunęli te neutrofile, tworzenie naczyń krwionośnych gwałtownie spadło, a rusztowanie nie przebudowywało się tak bardzo – co dowodzi, że te komórki mają znaczenie.
„Ten wynik zmienia nasze myślenie o neutrofilach po udarze” – powiedział Shangjing Xin, główny naukowiec i pracownik podoktorancki w laboratorium Segury. „Ich rola wydaje się zależeć od tego, kiedy przybywają, gdzie się znajdują i jakie sygnały otrzymują z otoczenia. Nasze badanie pokazuje potencjalną strategię inżynieryjną do rekrutacji i zatrzymywania tych komórek we właściwym czasie”.
Gdy komórki odpornościowe się wprowadziły, w całej jamie powstały nowe naczynia krwionośne, a włókna aksonalne – kable komunikacyjne mózgu – zwiększyły się zarówno wewnątrz, jak i wokół uszkodzonego obszaru. Myszy również poprawiły się w teście chodzenia po kratce (mierzącym potknięcia kończyn przednich), a po ośmiu tygodniach były statystycznie nieodróżnialne od zdrowych kontroli. Poprawa utrzymywała się przez resztę badania.
Zespół próbował również EV bez rusztowania, ale nie udało im się uzyskać podobnej naprawy naczyń krwionośnych. Tak więc biomateriał nie jest tylko nośnikiem – jego porowata architektura i zdolność do utrzymywania sygnałów w skupieniu są kluczowe.
Oczywiście wszystko to jest jeszcze przedkliniczne. Leczenie było testowane tylko na myszach, z bezpośrednim wstrzyknięciem do mózgu. Potrzebne są dalsze badania, aby ocenić bezpieczeństwo, zrozumieć role komórek odpornościowych i sprawdzić, czy działa na większych modelach bliższych ludzkiemu udarowi. Ponadto EV obecnie pochodzą z astrocytów szczura; la