Нанобиоматериал стимулирует рост нейронов у мышей с травмами спинного мозга

Исследователи из отделения ортопедии больницы Тунцзи при Шанхайском университете Тунцзи успешно использовали нанобиоматериал под названием слоистый двойной гидроксид (LDH) для подавления воспалительной среды вокруг травм спинного мозга у мышей. Это ускорило регенерацию нейронов и восстановление нейронной цепи в позвоночнике. Учёным также удалось выявить лежащий в основе генетический механизм работы LDH. Это понимание позволит дальше модифицировать терапию, которая в сочетании с другими элементами может, наконец, создать комплексную систему для лечения травм спинного мозга у людей, пригодную для клинического применения.

Исследование было опубликовано в журнале Американского химического общества ACS Nano 2 февраля.

Эффективного лечения травм спинного мозга не существует. Они всегда сопровождаются гибелью нейронов, разрывом аксонов (нервных волокон) и воспалением. Хотя организм продолжает генерировать новые нейральные стволовые клетки, эта воспалительная микросреда (непосредственные локальные условия в месте травмы) сильно препятствует регенерации нейронов и аксонов. Более того, длительная активация иммунных клеток в этой области также приводит к вторичным поражениям нервной системы, что, в свою очередь, мешает стволовым клеткам дифференцироваться в новые типы клеток.

Если бы эту агрессивную иммунную реакцию в месте травмы можно было смягчить, появилась бы возможность для начала дифференцировки нейральных стволовых клеток и нейрорегенерации.

В последние годы был разработан ряд новых наноразмерных биоматериалов — природных или синтетических материалов, взаимодействующих с биологическими системами, — для помощи в активации нейральных стволовых клеток, а также их мобилизации и дифференцировке. Некоторые из этих «нанокомпозитов» способны доставлять лекарства к месту травмы и ускорять регенерацию нейронов. Эти нанокомпозиты особенно привлекательны для лечения спинного мозга из-за их низкой токсичности. Однако лишь немногие из них обладают способностью подавлять или смягчать иммунную реакцию на месте и, следовательно, не решают основную проблему. Более того, остаются неясными базовые механизмы их работы.

Нанодвойной слоистый гидроксид (LDH) — это разновидность глины со многими интересными биологическими свойствами, важными для травм спинного мозга, включая хорошую биосовместимость (способность избегать отторжения организмом), безопасную биодеградацию (распад и удаление молекул после применения) и отличную противовоспалительную способность. LDH уже широко изучался в биомедицинской инженерии в отношении регуляции иммунного ответа, но в основном в области противоопухолевой терапии.

«Эти свойства сделали LDH очень перспективным кандидатом для создания гораздо более благоприятной микросреды для восстановления после травмы спинного мозга», — говорит Жунжун Чжу из отделения ортопедии больницы Тунцзи, первый автор исследования.

Под руководством Лиминга Чэна, ответственного автора исследования, команда трансплантировала LDH в место травмы у мышей и обнаружила, что нанобиоматериал значительно ускорил миграцию нейральных стволовых клеток, нейральную дифференцировку, активацию каналов для возбуждения нейронов и индукцию активации потенциала действия (нервного импульса). Мыши также продемонстрировали значительное улучшение двигательного поведения по сравнению с контрольной группой. Кроме того, когда LDH сочетали с нейротрофином-3 (NT3) — белком, стимулирующим рост и дифференцировку новых нейронов, — мыши демонстрировали ещё лучший восстановительный эффект, чем от одного LDH. По сути, NT3 усиливает развитие нейронов, а LDH создаёт среду, в которой это развитие может процветать.

Затем с помощью транскриптомного профилирования (анализа экспрессии тысяч генов одновременно) исследователи смогли определить, как LDH оказывает помощь. Они обнаружили, что после прикрепления LDH к клеточным мембранам он вызывает повышенную активацию гена «рецептора трансформирующего фактора роста-β 2» (TGFBR2), уменьшая выработку лейкоцитов, усиливающих воспаление, и увеличивая выработку лейкоцитов, подавляющих воспаление. При применении химического вещества, ингибирующего TGFBR2, они обнаружили, что полезные эффекты обратимы.

Понимание того, как LDH вызывает эти эффекты, теперь должно позволить исследователям модифицировать терапию для повышения её эффективности и, наконец, создать комплексную терапевтическую систему для травм спинного мозга, сочетающую эти биоматериалы с нейротрофическими факторами, подобными NT3, которую можно будет применять в клинике на людях.