Naprawa uszkodzonego rdzenia kręgowego z pomocą stymulowanego nanostrukturalnego rusztowania
Ludzki rdzeń kręgowy to delikatna cylindryczna struktura komórek i nerwów, która przesyła informacje między mózgiem a resztą ciała. Jeśli rdzeń kręgowy zostanie uszkodzony, ten przepływ informacji może zostać przerwany lub nawet całkowicie odcięty — dlatego urazy rdzenia kręgowego (SCI) mogą być tak niszczycielskie. Być może jeszcze bardziej niszczycielski jest fakt, że nasz centralny układ nerwowy nie radzi sobie za dobrze z regeneracją, co oznacza, że możliwości leczenia tego typu urazów są niezwykle ograniczone. Jednak dzięki badaniom, takim jak te prowadzone w ramach finansowanego ze środków UE projektu NeuroStimSpinal, może się to zacząć zmieniać. W ramach projektu opracowywane jest rusztowanie o strukturze zaprojektowanej dla tkanki nerwowej, które łącząc włóknistą i porowatą topografię, naśladuje morfologię natywnego rdzenia kręgowego. „Naszym celem jest usunięcie uszkodzonego obszaru kręgosłupa i zastąpienie go naszym rusztowaniem, co umożliwi komórkom nerwowym przywrócenie komunikacji” — wyjaśnia Paula Marques, badaczka z Uniwersytetu w Aveiro i koordynatorka projektu NeuroStimSpinal.
Właściwości grafenu: przewodnictwo elektryczne i biokompatybilność
Rusztowania inżynierii tkankowej są ważnym narzędziem w medycynie regeneracyjnej, ponieważ zapewniają wsparcie strukturalne dla adhezji komórek i ostatecznego rozwoju tkanki. Wyzwaniem jest jednak znalezienie odpowiedniego materiału. Według Marques, jednym z materiałów mającym spory potencjał wykorzystania w urazach rdzenia kręgowego jest grafen. „Grafen to nanomateriał węglowy o niezwykłych właściwościach, nad którym nasza grupa badawcza pracuje i rozwija jego różne zastosowania od ponad 15 lat” — mówi. Dzięki tym pracom Marques dostrzegła dwie kluczowe właściwości: przewodność elektryczną i biokompatybilność. „Te właściwości zwróciły naszą uwagę na rozwój biomateriałów, które mogłyby być stymulowane elektrycznie” — dodaje. Tkanka nerwowa znajdująca się w rdzeniu kręgowym jest responsywna elektrycznie, dzięki czemu Marques dostrzegła możliwość zbadania zastosowania grafenowego rusztowania w leczeniu urazów rdzenia kręgowego. I tak narodził się projekt NeuroStimSpinal.
Zastosowanie stymulacji elektrycznej do biomateriału
Pierwszym wyzwaniem projektu było znalezienie biomateriału, który mógłby zostać połączony z grafenem i wbudowany w trójwymiarową konstrukcję. „Jeden z partnerów projektowych opracował metodę ekstrakcji macierzy pozakomórkowej z tłuszczu zwierzęcego” — podkreśla Marques. „Ta naturalna macierz dostarcza szeregu biochemicznych wskazówek, pozwalając komórkom rozpoznać środowisko, co stanowi ważny pierwszy krok w kierunku regeneracji tkanek”. Następnie naukowcy zbadali, jak zastosować stymulację elektryczną do biomateriału. „Dużym wyzwaniem było tutaj najpierw powiązanie macierzy pozakomórkowej z grafenem w sposób, który był zarówno łatwy do powtórzenia, jak i nie wprowadzał żadnego rodzaju toksyczności do samego materiału, a następnie przepuszczenie wzdłuż niego prądu elektrycznego” — zauważa Marques.
Wszczepialne urządzenie do regeneracji tkanek nerwowych u pacjentów z urazami rdzenia kręgowego
Przeprowadzając testy z wykorzystaniem neuronalnych komórek embrionalnych, naukowcy zweryfikowali, że te komórki progenitorowe, które nie są jeszcze w pełni zróżnicowane w obecności tej trójwymiarowej struktury, potrafią różnicować się w neurony. Neurony to główne komórki dające początek wzrostowi aksonów — długich, nitkowatych włókien, które łączą komórki nerwowe, umożliwiając im komunikację wzdłuż całego rdzenia kręgowego. „Pokazuje to potencjał stworzenia wszczepialnego funkcjonalnego urządzenia składającego się z rusztowania wykonanego z materiału na bazie grafenu i macierzy pozakomórkowej, co w połączeniu ze stymulacją elektryczną może regenerować tkankę nerwową u pacjentów z urazami rdzenia kręgowego” — podsumowuje Marques. Badaczka jest przekonana, że odkrycia naukowe projektu NeuroStimSpinal dostarczyły solidnych podstaw, na których można budować przyszłe projekty i ostatecznie jeszcze bardziej rozwinąć naszą zdolność do leczenia urazów rdzenia kręgowego.
Słowa kluczowe
NeuroStimSpinal, kręgosłup, rdzeń kręgowy, rusztowanie, komórki nerwowe, stymulowane nanostrukturalne rusztowanie, grafen, regeneracja nerwów, wszczepialne urządzenie, urazy rdzenia kręgowego
