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(odnośnik otworzy się w nowym oknie), 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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.
