Naprawa nerwów

W laboratorium na Uniwersytecie Pensylwanii plastikowe naczynie zawiera dwa rzędy maleńkich czarnych kropek, połączone dziesiątkami cienkich, przypominających włosy włókien. Każda kropka to skupisko tysięcy neuronów, wyjaśnia Douglas Smith, profesor neurochirurgii i dyrektor Penn's Center for Brain Injury and Repair. Włókna, które rozciągają się między nimi, w rzeczywistości składają się z tysięcy aksonów, długich, smukłych wypustek, które przewodzą impulsy elektryczne z dala od centralnego ciała każdego neuronu. Te wiązki – każdy z nerwów opracowanych w laboratorium – reprezentują fizyczne mosty, które, jak ma nadzieję Smith, pomogą naukowcom takim jak on naprawić wcześniej nieodwracalne urazy.

W University of Pennsylvania Center for Brain Injury and Repair profesor neurochirurgii Douglas Smith wykorzystuje napięcie mechaniczne, aby przyspieszyć wzrost implantów, które, jak ma nadzieję, naprawią uszkodzenia nerwów.

Kiedy odcinki nerwów w ciele są przecięte lub zmiażdżone, umierają. Chociaż nerwy mogą się regenerować, robią to w lodowatym tempie około milimetra dziennie. I jest jeszcze jeden haczyk: gdy nowe aksony rosną, potrzebują oryginalnej osłonki nerwowej – ochronnej błony składającej się z kilku różnych rodzajów komórek – aby poprowadzić je do obszaru, który utracił funkcję. Ta otoczka zaczyna się rozpadać po około trzech miesiącach bez żywego nerwu. To wyścig z czasem, mówi Smith. Nerw odcięty na przykład w nadgarstku może rozciągać się na niewielką odległość od ręki i zagoić się w odpowiednim czasie, aby przywrócić prawidłowe funkcjonowanie. Jeśli jednak ten sam nerw zostałby przecięty w pobliżu barku, osoba prawie na pewno utraciłaby pełną kontrolę nad tą ręką, ponieważ nowy narośl nie dosięgnąłby ręki przed śmiercią pochwy.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2010 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Nawet najbardziej zaawansowane techniki eksperymentalne nie były w stanie przywrócić funkcji nerwów w miejscach oddalonych od urazu. Smith pomyślał, że może ułatwić szybką regenerację nerwów, używając nerwów wyhodowanych w laboratorium jako rodzaju rusztowania, które lekarze mogą umieścić w miejscu, w którym nerw pacjenta obumarł. Chociaż wszczepiony nerw sam nie przekazywałby sygnałów, obecność żywej tkanki może skierować regenerujący się nerw organizmu z powrotem do miejsca urazu, zachowując jednocześnie oderwaną osłonkę nerwu w stanie nienaruszonym.

Aby zmodyfikowane nerwy rosły wystarczająco długo, aby objąć uszkodzony obszar przed przeszczepem, zastosował lekkie, stopniowo zwiększające napięcie fizyczne; Odkrył, że ten proces zachęca nerwy do wzrostu prawie 100 razy szybciej niż naukowcy uważali, że jest to możliwe. A nerwy nie tylko wydłużyły się, ale także pogrubiły, najwyraźniej dlatego, że w odpowiedzi na napięcie powstają dodatkowe białka. Smith i jego zespół wprowadzili te zmodyfikowane nerwy u szczurów, którym wycięto część nerwów nóg. W ciągu czterech miesięcy, gdy naturalne nerwy zaczęły się regenerować w ciałach szczurów, przeszczepy pomogły poprowadzić te nerwy przez przepaść, skutecznie przywracając funkcje nóg szczurów.

Rozciąganie go
Aby wykonać przeszczepy długich nerwów, Smith i jego zespół najpierw zbierają neurony czuciowe – komórki, które przekazują informacje do mózgu – z rdzenia kręgowego płodów szczurów. Technik badawczy Kevin Browne następnie pipetuje galaretowate różowe białko zwane kolagenem na dwie sąsiednie błony w specjalnie zbudowanej komorze. Mniej więcej wielkości pudełka po butach mieści przyrząd do rozciągania, składający się z pionowego bloku przymocowanego do metalowych prętów. Jedna z małych, przezroczystych folii, zwana membraną holowniczą, jest zawieszona na jednym końcu na bloku i zakrzywia się w dół prawie do podstawy komory, gdzie zachodzi na drugą membranę. Browne umieszcza jeden zestaw neuronów w kolagenie na błonie holowniczej, a drugi na błonie dolnej. W tym momencie te dwie grupy są oddalone od siebie o mniej niż 100 mikrometrów – szerokość dwóch włosów. Całą konfigurację umieszcza w buczącym inkubatorze, który działa w temperaturze 37 °C, naśladując wewnętrzną temperaturę szczura.

Następnego dnia Browne kropluje roztwór enzymów i innych białek na błony za pomocą pipety; rozwiązanie zachęca neurony do kiełkowania aksonów. Powoli akson z pojedynczego neuronu sięga i tworzy połączenie synaptyczne z neuronem po drugiej stronie. Po około pięciu dniach aksony bezpiecznie połączyły się z sąsiednimi neuronami, a Browne przyczepia pręty komory do silnika sterowanego komputerowo. Silnik odciąga membranę holowniczą od membrany dolnej z różną prędkością określoną metodą prób i błędów.

Po około trzech do pięciu dniach stopniowego zwiększania napięcia zespół może rozpocząć rozciąganie aksonów nawet o jeden centymetr dziennie (około 100 razy szybciej niż regenerujące się nerwy w organizmie), chociaż krótsze przeszczepy można rozciągać wolniej .

Prace naprawcze
Po około tygodniu powolnego rozciągania Browne wyjmuje pudełko z inkubatora. Używa pipety, aby dodać więcej kolagenu, który działa jak miękki klej, na wierzch komórek. Następnie zsuwa z folii włókna nerwowe i przyczepione neurony. Za pomocą mikroskopijnych kleszczyków Browne wrzuca nowy nerw, teraz o długości około centymetra, do rurki podobnej do słomy, która została rozcięta wzdłuż. Rurka, wykonana z biodegradowalnego materiału, który rozpuszcza się w organizmie, służy jako syntetyczna osłona nerwu. Browne szwy lub klei go bezpiecznie zamykając nerwem w środku.

W początkowych eksperymentach mających na celu przetestowanie zdolności przeszczepu do naprawy uszkodzeń nerwów, Smith usuwa około centymetra nerwu kulszowego szczura, który biegnie przez pośladki i z tyłu każdej nogi do kostki i stopy, przenosząc wiadomości z rdzenia kręgowego do różne mięśnie nóg. Następnie umieszcza rurkę w miejscu, w którym znajdował się nerw. Używając kleszczyków, delikatnie wpycha kikut pochewki nerwu kulszowego szczura do każdego końca rurki i uszczelnia go klejem fibrynowym. Bez implantu część pochewki nerwu pod nacięciem uległaby degeneracji, a szczur straciłby ruch w tej nodze. Wyhodowane w laboratorium nerwy zapewniają żywą ścieżkę regeneracji, zachęcając własne neurony ruchowe szczura do wzrostu we właściwym kierunku i utrzymując przy życiu pochewkę.

Smith mówi, że w testach przeprowadzonych na ponad 40 szczurach jego grupa odniosła prawie 100-procentowy sukces w przywracaniu zwierzętom zdolności chodzenia. Kiedy naukowcy przeprowadzili sekcję tych szczurów, odkryli, że nowe aksony wyrosły z ich rdzenia kręgowego i splotły się z przeszczepionymi nerwami. Neurony wewnątrz rurek dały również początek nowym aksonom, które wychodziły z rurki w obu kierunkach i dalej mieszały się z regenerującymi się aksonami szczurów.

Smith i jego zespół sądzą, że dłuższe implanty nerwowe mogą pomóc w naprawie bardziej rozległych urazów; do tej pory najdłuższy nerw, jaki wyhodowali, ma około 10 centymetrów. Wykazali również, że proces rozciągania działa na ludzkie neurony pochodzące od dawców narządów. Smith ma nadzieję, że w ciągu najbliższych dwóch lat rozpocznie testowanie implantów pochodzenia ludzkiego u pacjentów z uszkodzeniami nerwów.

ukryć