Клеточный «рюкзак» и повреждения головного мозга

Пересматривая новогоднюю дилогию «Крепкий Орешек», я впервые обратил внимание на то, как часто и сильно Брюс Уиллис бьется головой едва ли не в каждой драке. Возможно, именно те удары стали отправной точкой в развитии текущего состояния актера. Чтобы вовремя подавлять воспалительные процессы и снижать риски травм мозга, ученые пропатчили внутреннюю защиту клеток мозга.

Прикрепив «рюкзаки» из микрочастиц к воспалительным клеткам, известным как макрофаги, исследователи на 56% уменьшили размер повреждений и воспалений, вызванных черепно-мозговой травмой. Ключевое качество нового подхода – работа рука об руку с биологией мозга, а не против нее. Новости и статьи на схожие темы публикуются в телеграм канале Neural Hack.

Повреждения головного мозга. Насколько насущна проблема?

Во всем мире на 2019 год было зарегистрировано 27,16 миллионов людей, получивших новую черепно-мозговую травму, и 48,99 миллионов людей, живущих после получения ЧМТ. И хоть нейровоспаление критически важно для стимулирования регенерации клеток и тканей сразу после ЧМТ, длительное воспаление приводит к вторичному повреждению. 

Заглядывая под черепную коробку

В мозге всегда присутствуют макрофаги. К ним относятся лейкоциты, которые могут переключаться между про- и противовоспалительными состояниями, и другие иммунные клетки. Чрезмерная активность этих клеток может расширить очаг поражения и потянуть за собой такие осложнения, как депрессия, сенсомоторный дефицит, дефицит памяти, а также деменцию.

В новом исследовании, ученые из Института Висса, Гарвардского университета, отрегулировали активность макрофагов в лечении ЧМТ. Оснащенные «рюкзаком» из микрочастиц, наполненным противовоспалительными молекулами, макрофаги значительно уменьшили локальное воспаление головного мозга, размер повреждений и кровотечение у свиней с ЧМТ.

Каждый год миллионы людей страдают от ЧМТ, но не существует другого лечения, кроме как коррекции симптомов. Мы применили технологию клеточного рюкзака, которую ранее использовали для улучшения воспалительной реакции макрофагов на раковые опухоли, чтобы обеспечить локализованное противовоспалительное лечение в мозге, которое помогает смягчить каскад неконтролируемого воспаления, вызывающего повреждение тканей и смерть. Наша модель, релевантная для человека.

Самир Митраготри, один из авторов исследования.

На чем завязаны повреждения головного мозга?

Когда клетки головного мозга умирают из-за травматического воздействия, они выделяют коктейль провоспалительных цитокинов, который привлекает иммунные клетки для восстановления повреждений. 

Но эти же цитокины также разрушают гематоэнцефалический барьер мозга, вызывая выброс крови в мозг, что приводит к отеку, нарушению процесса доставки кислорода к тканям и усилению воспаления. Это порочный круг кровотечений и повреждений, который приводит к еще большей гибели клеток. Вот почему фенотропил, который влияет на интенсивность кровотока, периодически используют при ЧМТ, но с огромной осторожностью.

Основываясь на своей предыдущей работе по приспособлению рюкзаков к макрофагам, исследователи пришли к выводу, что они могут быть эффективны в случаях ЧМТ.

Принципы новой технологии, снижающей повреждения головного мозга

Принято считать, что противовоспалительная терапия может быть эффективной при лечении ЧМТ, но до сих пор ни одна из методологий не доказала свою эффективность клинически. Наша предыдущая работа с макрофагами показала, что мы можем использовать нашу ранцевую технологию, чтобы эффективно управлять поведением клеток, когда они прибывают к месту травмы. Поскольку эти клетки уже являются активными участниками естественного иммунного ответа организма на ЧМТ, у нас было подозрение, что мы можем развить уже существующую биологию, чтобы уменьшить первоначальный ущерб.

Рик Ляо, соавтор исследования.

Клеточные рюкзаки состоят из двух внешних слоев дексаметазона, противовоспалительного стероидного препарата, в полимолочной гликолевой кислоте (PLGA) и среднего слоя IL-4, иммунорегуляторного цитокина, в поливиниловом спирте. Было показано, что сочетание дексаметазона и IL-4 вызывает синергический противовоспалительный эффект. Средний диаметр рюкзака 8,2 мкм и толщина 914 нм. Они предназначены для прилипания к поверхности макрофагов.

Макрофаги свиньи культивировали из костного мозга, и к готовым макрофагам прикрепили рюкзак для создания комплекса «рюкзак-макрофаги». Комплексы вводили внутривенно свиным моделям с ЧМТ, в частности с повреждением коры головного мозга, самого внешнего слоя ткани. Через семь дней в очаге травмы наблюдались рюкзаки-макрофаги в большей плотности, чем в других областях мозга.

Результат тестирования технологии, позволяющей минимизировать повреждения головного мозга

По сравнению со свиньями, которым вводили физраствор, лечение ранцевыми макрофагами уменьшало общий объем поражения на 56% и приводило к «визуально поразительному» уменьшению количества кровоизлияний (73 мм 3 против 21 мм 3). Объем кровоизлияния положительно коррелировал с объемом поражения, что указывает на двустороннюю обусловленность. Модифицированные-макрофаги уменьшили объем поражения на 47%. Также было замечено, что у свиней, обработанных макрофагами, было меньше крупных поражений.

Вполне может быть, что подобная технология приведет к развитию в области интеграции имплантов в мозг и возведения более сложных структур на уровне органики и кибернетики, как это наблюдается в последних исследованиях.

Детали исследования

Ученые проанализировали микроглию, клетки мозга, темп восстановления и обнаружили снижение провоспалительного маркера CD80 по сравнению с группой, получавшей физиологический раствор. Периферические биомаркеры воспаления также были меньше у свиней, получавших модифцированные макрофаги.

Через двадцать четыре часа после травмы уровень сывороточного фактора некроза опухоли альфа (TNF-⍺), основного регулятора воспалительных реакций, составлял 82,7% у обработанных свиней по сравнению со 117,5% у контрольной группы. 

Через семь дней после травмы содержание глиального фибриллярного кислого белка в сыворотке крови (GFAP), диагностического и прогностического биомаркера ЧМТ и нейровоспаления, было меньше в группах, получавших лечение (75,2%), по сравнению с группами, получавшими физиологический раствор (158,4%).

Частота нежелательных явлений у обработанных свиней не отличалась от таковой у животных, получавших физиологический раствор. Никаких признаков токсичности, вызванной обработкой ранцевыми макрофагами, не наблюдалось в селезенке, печени, почках и легких.

Вместо выводов

Фактически, первые недели после травмы мозга определяют то, насколько эффективно сможет восстановиться человек, и что его будет ожидать в дальнейшем. При этом каждый дополнительный фактор, помогающий минимизировать последствия – идет на вес золота. Как быстро эту технологию будут применять на людях – лет через 10-15, но это исключительно бюрократический вопрос.

Медицина прекрасна тем, что её плоды можно использовать для борьбы с болезнями и расстройствами. А можно и для повышения работоспособности и эффективности в сложных условия. Новости и статьи на схожие темы публикуются в телеграм канале Neural Hack.