Ученые Научно-технологического университета «Сириус» разработали биосовместимый полимерный каркас, который может применяться для восстановления повреждении спинного мозга.
Исследователям удалось подобрать условия формирования пористой поверхности волокон, что оказалось критически важным для роста нейронов и изменения морфологии астроцитов в лабораторных экспериментах. Результаты работы опубликованы в международном научном журнале Polymers.
Травма спинного мозга
Травма спинного мозга считается одним из самых тяжелых повреждений нервной системы. По оценкам международных медицинских организаций, ежегодно в мире регистрируется до 1 млн новых случаев таких травм. С последствиями травмы спинного мозга сегодня живут больше 10 млн человек. Чаще всего повреждения возникают в результате дорожно-транспортных происшествий, падений с высоты и спортивных травм.
При повреждении спинного мозга нарушается передача сигналов между мозгом и телом. В зависимости от уровня и тяжести травмы человек может утратить чувствительность и движение в конечностях, а иногда и способность самостоятельно дышать. Особенно сложными считаются повреждения шеи, при которых страдают и руки, и ноги.
Главная проблема заключается в том, что центральная нервная система взрослого человека практически не восстанавливается. Нервные клетки редко делятся, а в зоне повреждения формируется неблагоприятная среда с воспалением и рубцовыми изменениями. Даже современные методы реабилитации позволяют лишь частично компенсировать утраченные функции, а не вернуть их полностью.
Новый подход
Один из перспективных путей решения этой проблемы связан с использованием биоматериалов, которые могут служить опорой для нервных клеток. Такие каркасы создают временную структуру, в которой клетки получают защиту и возможность формировать новые связи.
Исследователи под руководством профессоров Павла Мусиенко и Дмитрия Иванова сосредоточились на создании каркаса, который был бы биосовместимым, постепенно разлагался в организме и при этом активно поддерживал нервные клетки. Важно было не только подобрать безопасный состав для материала, но и задать ему правильную архитектуру и механические характеристики, подходящие для нервной ткани.
Структура и особенности
Каркас изготовлен из смеси двух биоразлагаемых полимеров — полилактида и поликапролактона, материалов, давно применяемых в медицине, например в рассасывающихся швах и имплантатах. Из этого состава формируется сеть тонких волокон с помощью электрического поля. В итоге получается структура, похожая на внеклеточный матрикс, то есть естественную опорную среду, в которой живут клетки ткани.
Ключевой особенностью стала пористая поверхность волокон, которую удалось получить подбором состава растворителей (за эту часть работы отвечала младший научный сотрудник Анастасия Царева). Микроскопические поры увеличивают площадь контакта клеток с материалом и облегчают их прикрепление. В экспериментах in vitro, то есть в культуре клеток, плотность нейронов на таком каркасе возрастала почти в пять раз по сравнению с гладкими образцами. Больше 80% клеток сохраняли жизнеспособность в течение десяти дней.
Астроциты меняют свою форму
Отдельное внимание ученые уделили астроцитам, вспомогательным клеткам нервной системы, которые сильно влияют на восстановление ткани. Эти клетки могут как поддерживать рост нейронов, так и препятствовать ему, если переходят в так называемое реактивное состояние.
На пористых каркасах астроциты сохраняли разветвленную форму, характерную для их физиологического состояния. Это указывает на благоприятную среду для восстановления. На гладких материалах клетки становились более округлыми, что ранее связывали с неблагоприятными реакциями ткани.
Авторы работы подчеркивают, что результаты показывают важность не только состава биоматериала, но и его структуры. В перспективе такие каркасы могут стать основой имплантатов для комбинированной клеточной терапии при травмах спинного мозга. Следующим этапом станут исследования на животных моделях и оценка функционального восстановления.
Работа проводилась при поддержке госпрограммы «Наука» федеральной территории «Сириус». В научный коллектив вошли также младший научный сотрудник лаборатории нейропротезов СПбГУ Валерия Штоль, младшие научные сотрудники «Сириуса» София Коновалова и Кирилл Арсентьев.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, как формировались научные основы изучения мозга и нервной системы в России.
