Прорыв в регенеративной медицине: «Танцующие молекулы» успешно восстанавливают серьезные травмы спинного мозга

После однократной инъекции парализованные животные восстановили способность ходить в течение четырех недель.

Исследователи Северо-Западного университета разработали новую инъекционную терапию, в которой «танцующие молекулы» используются для устранения паралича и восстановления тканей после тяжелых травм спинного мозга.

В новом исследовании ученые вводили одну инъекцию в ткани, окружающие спинной мозг парализованных мышей. Всего через четыре недели животные вернули способность ходить.

Исследование было опубликовано в номере журнала Science от 12 ноября 2021 года .

«Наше исследование направлено на поиск терапии, которая может предотвратить паралич людей после серьезной травмы или болезни», - сказал Сэмюэл И. Ступп из Northwestern, возглавлявший исследование. «На протяжении десятилетий это оставалось серьезной проблемой для ученых, потому что центральная нервная система нашего тела, включая головной и спинной мозг, не имеет значительной способности восстанавливать себя после травмы или после начала дегенеративного заболевания. Мы идем прямо в FDA, чтобы начать процесс утверждения этой новой терапии для использования у людей, у которых в настоящее время очень мало вариантов лечения ».

Ступп - профессор кафедры материаловедения и инженерии, химии, медицины и биомедицинской инженерии в Северо-Западном совете попечителей, где он является директором-основателем Института бионанотехнологий Симпсона Кверри (SQI) и его дочернего исследовательского центра - Центра регенеративной наномедицины. Он работал в Инженерной школе Маккормика, Вайнбергском колледже искусств и наук и в медицинской школе Файнберга.
Посылая биоактивные сигналы, запускающие клетки для восстановления и регенерации, революционная терапия радикально улучшила сильно поврежденный спинной мозг пятью ключевыми способами: (1) регенерированные оторванные отростки нейронов, называемые аксонами; (2) значительно уменьшилась рубцовая ткань, которая может создавать физический барьер для регенерации и восстановления; (3) миелин, изолирующий слой аксонов, который важен для эффективной передачи электрических сигналов, реформируется вокруг клеток; (4) функциональные кровеносные сосуды, сформированные для доставки питательных веществ к клеткам в месте повреждения; и (5) больше двигательных нейронов выжило.

После того, как терапия выполняет свою функцию, материалы биоразлагаются на питательные вещества для клеток в течение 12 недель, а затем полностью исчезают из организма без заметных побочных эффектов. Это первое исследование, в котором исследователи контролировали коллективное движение молекул посредством изменения химической структуры, чтобы повысить терапевтическую эффективность.

Ожидаемая продолжительность жизни не улучшилась с 1980-х годов.
По данным Национального статистического центра по травмам спинного мозга, в настоящее время в США около 300 000 человек живут с травмами спинного мозга. Жизнь этих пациентов может быть чрезвычайно сложной. Менее 3% людей с полной травмой когда-либо восстанавливают основные физические функции. И примерно 30% повторно госпитализируются по крайней мере один раз в течение любого года после первоначальной травмы, что в среднем обходится в миллионы долларов в расчете на одного пациента в течение всей жизни. Ожидаемая продолжительность жизни людей с травмами спинного мозга значительно ниже, чем у людей без травм спинного мозга, и не улучшилась с 1980-х годов.

«Я хотел повлиять на результаты травмы спинного мозга и решить эту проблему, учитывая огромное влияние, которое она может оказать на жизнь пациентов».
- Сэмюэл И. Ступп, материаловед

«В настоящее время не существует терапевтических средств, запускающих регенерацию спинного мозга», - сказал Ступп, эксперт в области регенеративной медицины. «Я хотел изменить результаты травмы спинного мозга и решить эту проблему, учитывая огромное влияние, которое она может оказать на жизнь пациентов. Кроме того, новая наука о травмах спинного мозга может повлиять на стратегии лечения нейродегенеративных заболеваний и инсульта ».

"Танцующие молекулы" поражают движущиеся цели
Секрет нового революционного терапевтического средства Stupp заключается в настройке движения молекул, чтобы они могли находить и правильно задействовать постоянно движущиеся клеточные рецепторы. При введении в жидком виде препарат немедленно превращается в сложную сеть нановолокон, имитирующих внеклеточный матрикс спинного мозга. Подбирая структуру матрицы, имитируя движение биологических молекул и вводя сигналы для рецепторов, синтетические материалы могут связываться с клетками.

«Рецепторы в нейронах и других клетках постоянно перемещаются», - сказал Ступп. «Ключевым нововведением в наших исследованиях, которых никогда раньше не было, является управление коллективным движением более 100 000 молекул внутри наших нановолокон. Заставляя молекулы двигаться, «танцевать» или даже временно выпрыгивать из этих структур, известных как супрамолекулярные полимеры, они могут более эффективно связываться с рецепторами».

Ступп и его команда обнаружили, что тонкая настройка движения молекул в сети нановолокон, чтобы сделать их более подвижными, приводит к большей терапевтической эффективности у парализованных мышей. Они также подтвердили, что составы их терапии с усиленным движением молекул показали лучшие результаты в тестах in vitro с человеческими клетками, что указывает на повышенную биоактивность и клеточную передачу сигналов.

«Учитывая, что сами клетки и их рецепторы находятся в постоянном движении, вы можете представить, что молекулы, движущиеся быстрее, будут чаще сталкиваться с этими рецепторами», - сказал Ступп. «Если молекулы медлительны и не столь« социальны », они могут никогда не вступить в контакт с клетками».

Один впрыск, два сигнала
После подключения к рецепторам движущиеся молекулы запускают два каскадных сигнала, оба из которых имеют решающее значение для восстановления спинного мозга. Один сигнал побуждает к регенерации длинные хвосты нейронов спинного мозга, называемые аксонами. Подобно электрическим кабелям, аксоны отправляют сигналы между мозгом и остальным телом. Отрыв или повреждение аксонов может привести к потере чувствительности или даже параличу. С другой стороны, восстановление аксонов увеличивает коммуникацию между телом и мозгом.

Второй сигнал помогает нейронам выжить после травмы, потому что он вызывает пролиферацию других типов клеток, способствуя возобновлению роста потерянных кровеносных сосудов, которые питают нейроны и критические клетки для восстановления тканей. Терапия также побуждает миелин восстанавливаться вокруг аксонов и уменьшает рубцевание глии, которое действует как физический барьер, препятствующий заживлению спинного мозга.

«Сигналы, используемые в исследовании, имитируют естественные белки, которые необходимы для индукции желаемых биологических реакций. Однако белки имеют чрезвычайно короткий период полураспада и дороги в производстве », - сказала Зайда Альварес, первый автор исследования. «Наши синтетические сигналы - это короткие модифицированные пептиды, которые, будучи соединены вместе тысячами, сохранят биоактивность в течение нескольких недель. Конечным результатом является лечение, которое дешевле в производстве и длится намного дольше ».

Бывший доцент-исследователь лаборатории Штуппа, Альварес сейчас является приглашенным научным сотрудником в SQI и исследователем в Институте биоинженерии Каталонии в Испании.

Универсальное приложение
Хотя новую терапию можно использовать для предотвращения паралича после серьезных травм (автомобильные аварии, падения, спортивные несчастные случаи и огнестрельные ранения), а также от болезней, Ступп считает, что основное открытие - что «супрамолекулярное движение» является ключевым фактором биологической активности - может применяться к другим методам лечения и целям.

«Ткани центральной нервной системы, которые мы успешно регенерировали в поврежденном спинном мозге, похожи на ткани головного мозга, пораженные инсультом и нейродегенеративными заболеваниями, такими как БАС, болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера» , - сказал Ступп. «Помимо этого, наше фундаментальное открытие об управлении движением молекулярных ансамблей для усиления клеточной передачи сигналов может быть универсально применено к биомедицинским целям».