Углеродные нанотрубки снижают уровень повреждающего нервы хлорида в клетках

Наноматериал, созданный исследователями из Университета Дьюка, может помочь регулировать уровень хлорида в нервных клетках, что играет роль в развитии хронической боли, эпилепсии и черепно-мозговой травмы.

Результаты, опубликованные онлайн 10 декабря 2012 года в журнале Small, были продемонстрированы на отдельных нервных клетках, а также в мозге мышей и крыс. В будущем это может найти применение в интракраниальных или спинальных устройствах для лечения нейронных повреждений.

Углеродные нанотрубки обладают уникальными свойствами: механической прочностью и электропроводностью. Эти характеристики, наряду с их крошечным размером, делают их привлекательными для исследователей в технологиях и медицине.

В мире уменьшающихся компьютеров и смартфонов нанотрубки рассматриваются как решение для улучшения микрочипов. Они превосходят кремниевые чипы по размеру и производительности. Для людей с повреждением нервов и некоторыми неврологическими расстройствами устройства, покрытые или полностью сделанные из углеродных нанотрубок, могут предложить новый путь для улучшения лечения.

"Углеродные нанотрубки обладают огромным потенциалом для целого ряда применений, и мы только начинаем видеть его", — сказал ведущий автор Вольфганг Лидтке, доктор медицины и PhD, доцент медицины и нейробиологии в Дьюке. "Их исключительные механические и электрические свойства делают их идеальными для разработки устройств, взаимодействующих с нервными тканями. Однако точные механизмы воздействия нанотрубок на нейроны остаются неясными".

Не все углеродные нанотрубки одинаковы. Цзе Лю, PhD, профессор химии в Университете Дьюка и старший автор исследования, разработал особо чистые нанотрубки. Названные "малостенными углеродными нанотрубками", они обладают превосходными свойствами по сравнению с коммерчески доступными аналогами.

Исследователи изначально ставили цель оценить, оказывают ли нанотрубки токсичное или негативное воздействие на живую ткань. Изучая нейроны, выращенные из клеток грызунов ("кора головного мозга в чашке"), они обнаружили обратное. Воздействие нанотрубок на клетки оказало питательный эффект на нейроны, сделав их больше и сильнее.

"Предыдущие исследования изучали поведение нанотрубок на нейронах. Однако примеси в нанотрубках значительно влияли на результаты. После того как мы разработали чистые малостенные нанотрубки в нашей лаборатории, мы обнаружили, что они значительно ускоряют рост нейронных клеток", — сказал Лю.

Нейронные цепи могут быть нарушены из-за повышенного содержания хлорида внутри нейронов. Ряд заболеваний связан с таким повреждением, включая хроническую боль, эпилепсию и черепно-мозговую травму.

Низкий уровень хлорида внутри нейронов поддерживается белком-транспортером хлорида KCC2, который выкачивает ионы хлорида из клетки. В зрелых нейронах нет резервной системы для этой функции.

Незрелые нейроны, выращенные в лаборатории Лидтке, имели высокий уровень хлорида, но по мере созревания клеток их уровень хлорида падал по мере увеличения KCC2. При воздействии нанотрубок нейроны созревали гораздо быстрее, а уровень хлорида снижался быстрее. Исследователи выяснили, что молодые клетки, подвергнутые воздействию нанотрубок, производили больше белка KCC2.

"Углеродные нанотрубки усилили регуляцию хлорида в нейронах до нормального уровня. Эти изменения имеют огромное значение для клетки", — сказал Лидтке.

Увеличение белка KCC2 также было связано с повышением уровня кальция в нейронах. Повышенный уровень кальция активировал белок CaMKII, который сигнализирует нейрону производить больше KCC2.

Аналогичные результаты наблюдались в мозге мышей: нанотрубки вызывали увеличение активности гена KCC2, что позволяет предположить влияние малостенных углеродных нанотрубок на регуляцию этого гена.

Эти открытия могут привести к разработке нового поколения нейроинженерных устройств с использованием углеродных нанотрубок. Существующие устройства, модулирующие функцию нервных клеток, используют электрические системы, разработанные несколько десятилетий назад.

"Мы надеемся, что углеродные нанотрубки будут работать на поврежденных нервах так же хорошо, как и в нашем исследовании развивающихся нейронов", — продолжил Лидтке. "Использование углеродных нанотрубок находится в зачаточном состоянии, и мы рады быть частью развивающейся области с таким большим потенциалом".