Inżynieria tkanki nerwowej
Inżynieria tkanki nerwowej jest specyficzną poddziedziną inżynierii tkankowej . Inżynieria tkanki nerwowej to przede wszystkim poszukiwanie strategii eliminacji stanów zapalnych i zwłóknień po wszczepieniu obcych substancji. Często obce substancje w postaci przeszczepów i rusztowań są wszczepiane w celu przyspieszenia regeneracji nerwów i naprawy uszkodzeń nerwów zarówno ośrodkowego układu nerwowego (OUN), jak i obwodowego układu nerwowego (OUN) w wyniku urazu.
Wstęp
Układ nerwowy jest podzielony na dwie części: OUN i PNS. OUN składa się z mózgu i rdzenia kręgowego, podczas gdy PNS składa się z nerwów, które pochodzą z mózgu i rdzenia kręgowego i unerwiają resztę ciała.
Potrzeba inżynierii tkanki nerwowej wynika z trudności komórek nerwowych i tkanek nerwowych w samodzielnej regeneracji po wystąpieniu uszkodzenia nerwu. PNS ma pewną, ale ograniczoną, regenerację komórek nerwowych. neurogeneza dorosłych komórek macierzystych w OUN zachodzi w hipokampie , strefie podkomorowej (SVZ) i rdzeniu kręgowym. Urazy OUN mogą być spowodowane udarem , chorobami neurodegeneracyjnymi , urazem lub encefalopatią . Kilka obecnie badanych metod leczenia urazów OUN to: wszczepianie komórek macierzystych bezpośrednio w miejsce urazu, dostarczanie morfogenów do miejsca urazu lub hodowanie tkanki nerwowej in vitro z nerwowymi komórkami macierzystymi lub komórkami progenitorowymi w trójwymiarowym rusztowaniu . Proponowane zastosowanie elektroprzędzonych polimerowych rusztowań włóknistych do podłoży do naprawy nerwów sięga co najmniej 1986 r. W aplikacji NIH SBIR autorstwa Simona. W przypadku PNS odcięty nerw można ponownie połączyć i ponownie unerwić za pomocą przeszczepów lub prowadzenia istniejącego nerwu przez kanał.
Niedawne badania nad tworzeniem miniaturowych korteksów, znanych jako corticopoesis, oraz modeli mózgu, znanych jako organoidy mózgowe , to techniki, które mogą przyspieszyć dziedzinę regeneracji tkanki nerwowej. Natywnymi progenitorami korowymi w kortykopezie są tkanki nerwowe, które można skutecznie osadzić w mózgu. Organoidy mózgowe to trójwymiarowe ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste, które rozwinęły się w sekcje kory mózgowej, co pokazuje, że istnieje potencjał izolowania i rozwijania niektórych tkanek nerwowych przy użyciu komórek progenitorowych neuronów.
Inną sytuacją, która wymaga wszczepienia obcej tkanki, jest użycie elektrod zapisujących . Przewlekłe implanty elektrod są narzędziem wykorzystywanym w zastosowaniach badawczych do rejestracji sygnałów z obszarów kory mózgowej . Badania nad stymulacją neuronów PNS u pacjentów z paraliżem i protezami mogą pogłębić wiedzę na temat reinerwacji tkanki nerwowej zarówno w PUN, jak i OUN. Dzięki tym badaniom jeden trudny aspekt inżynierii tkanki nerwowej, funkcjonalne unerwienie tkanki nerwowej, stanie się łatwiejszy do opanowania.
OUN
Przyczyny uszkodzenia OUN
Istnieją trzy główne przyczyny uszkodzenia OUN: udar mózgu , urazowe uszkodzenie mózgu (TBI) lub powikłania rozwojowe. Udary są klasyfikowane jako krwotoczne (gdy naczynie jest uszkodzone do momentu krwawienia do mózgu) lub niedokrwienne (gdy zakrzep blokuje przepływ krwi przez naczynie w mózgu). Kiedy pojawia się krwotok, krew przedostaje się do otaczających tkanek, powodując śmierć tkanki, podczas gdy krwotoki niedokrwienne powodują brak przepływu krwi do niektórych tkanek. Urazowe uszkodzenie mózgu jest spowodowane przez zewnętrzne siły oddziałujące na czaszkę lub rdzeń kręgowy. Problemy z rozwojem OUN skutkują nieprawidłowym rozrostem tkanek w trakcie rozwoju, a tym samym zmniejszeniem funkcji OUN.
Leczenie i badania OUN
Wszczepienie komórek macierzystych w miejsce urazu
Jedna metoda leczenia uszkodzenia OUN obejmuje hodowanie komórek macierzystych in vitro i wszczepianie nieukierunkowanych komórek macierzystych w miejsce uszkodzenia mózgu. Wszczepienie komórek macierzystych bezpośrednio w miejsce urazu zapobiega blizny glejowej i sprzyja neurogenezie pochodzącej od pacjenta, ale także stwarza ryzyko rozwoju guza, stanu zapalnego i migracji komórek macierzystych poza miejsce urazu. powstawanie nowotworów może wystąpić z powodu niekontrolowanego różnicowania się komórek macierzystych, stan zapalny może wystąpić z powodu odrzucenia wszczepionych komórek przez komórki gospodarza, a wysoce migracyjny charakter komórek macierzystych powoduje, że komórki oddalają się od miejsca uszkodzenia, a tym samym nie mają pożądany efekt na miejscu urazu. Inne problemy związane z inżynierią tkanki nerwowej obejmują ustalenie bezpiecznych źródeł komórek macierzystych i uzyskiwanie powtarzalnych wyników z leczenia na leczenie.
Alternatywnie, te komórki macierzyste mogą działać jako nośniki dla innych terapii, chociaż pozytywne skutki wykorzystania komórek macierzystych jako mechanizmu dostarczania nie zostały potwierdzone. Bezpośrednie dostarczanie komórek macierzystych ma zwiększone korzystne działanie, jeśli są one kierowane jako komórki neuronalne in vitro . W ten sposób zmniejsza się ryzyko związane z nieukierunkowanymi komórkami macierzystymi; dodatkowo urazy, które nie mają określonej granicy, mogą być skutecznie leczone.
Dostarczenie cząsteczek do miejsca urazu
Cząsteczki, które promują regenerację tkanki nerwowej, w tym leki farmaceutyczne , czynniki wzrostu znane jako morfogeny i miRNA mogą być również bezpośrednio wprowadzane do miejsca uszkodzenia uszkodzonej tkanki OUN. Neurogenezę obserwowano u zwierząt leczonych lekami psychotropowymi poprzez hamowanie wychwytu zwrotnego serotoniny i indukcję neurogenezy w mózgu. Kiedy komórki macierzyste się różnicują, komórki wydzielają morfogeny takie jak czynniki wzrostu w celu promowania zdrowego rozwoju. Te morfogeny pomagają w utrzymaniu homeostazy i neuronowych szlaków sygnałowych i mogą być dostarczane do miejsca urazu w celu promowania wzrostu uszkodzonych tkanek. Obecnie dostarczanie morfogenu przynosi minimalne korzyści ze względu na interakcje, jakie morfogeny mają z uszkodzoną tkanką. Morfogeny, które nie są wrodzone w organizmie, mają ograniczony wpływ na uszkodzoną tkankę ze względu na rozmiar fizyczny i ograniczoną ruchomość w tkance OUN. Aby leczenie było skuteczne, morfogeny muszą być obecne w miejscu urazu w określonym i stałym stężeniu. Wykazano również, że miRNA wpływa na neurogenezę poprzez kierowanie różnicowaniem niezróżnicowanych komórek nerwowych.
Implantacja tkanki nerwowej rozwinięta in vitro
Trzecią metodą leczenia urazów OUN jest sztuczne tworzenie tkanki na zewnątrz ciała w celu wszczepienia jej w miejsce urazu. Ta metoda może leczyć urazy, które składają się z dużych ubytków, w których należy wymienić i zregenerować większe ilości tkanki nerwowej. Tkanka nerwowa jest hodowana in vitro z nerwowymi komórkami macierzystymi lub progenitorowymi na rusztowaniu 3D , tworząc ciała zarodkowe (EB). Te EB składają się z kuli komórek macierzystych, gdzie komórki wewnętrzne są niezróżnicowanymi komórkami nerwowymi, a otaczające komórki są coraz bardziej zróżnicowane. Rusztowania 3D służą do przeszczepiania tkanki do miejsca urazu i tworzenia odpowiedniego interfejsu między sztuczną tkanką a tkanką mózgową. Rusztowania muszą być: biokompatybilne , biodegradowalne , dopasuj miejsce urazu, podobne do istniejącej tkanki pod względem elastyczności i sztywności oraz wspierają rosnące komórki i tkanki. Połączenie wykorzystania ukierunkowanych komórek macierzystych i rusztowań wspierających komórki nerwowe i tkanki zwiększa przeżywalność komórek macierzystych w miejscu urazu, zwiększając skuteczność leczenia.
Istnieje 6 różnych rodzajów rusztowań, które są badane pod kątem zastosowania w tej metodzie leczenia uszkodzenia tkanki nerwowej:
- Ciekłe hydrożele to usieciowane hydrofobowe łańcuchy polimerowe, a nerwowe komórki macierzyste są albo hodowane na powierzchni żelu, albo integrowane z żelem podczas sieciowania łańcuchów polimeru. Główną wadą płynnych hydrożeli jest ograniczona ochrona przeszczepionych komórek.
- Rusztowania podtrzymujące są wykonane z solidnych struktur w kształcie kulek lub mikroporowatych i mogą działać jako nośniki dla przeszczepionych komórek lub czynników wzrostu wydzielanych przez komórki macierzyste podczas różnicowania. Komórki przylegają do powierzchni matrycy warstwami 2D. Rusztowania podtrzymujące można łatwo przeszczepić do miejsca urazu mózgu ze względu na rozmiar rusztowania. Zapewniają matrycę sprzyjającą adhezji i agregacji komórek, zwiększając w ten sposób zwiększoną hodowlę zdrowych komórek.
- Wyrównujące rusztowania mogą być na bazie jedwabiu , polisacharydów lub innych materiałów, takich jak hydrożel bogaty w kolagen. Żele te są teraz wzbogacone mikrowzorami na powierzchni w celu promowania wzrostu neuronów. Te rusztowania są używane przede wszystkim do regeneracji, która musi zachodzić w określonej orientacji, na przykład w przypadku urazów rdzenia kręgowego.
- Rusztowania integracyjne służą głównie do ochrony przeszczepionych komórek przed siłami mechanicznymi, na jakie są narażone w procesie implantacji w miejsce urazu. Rusztowania te zmniejszają również prawdopodobieństwo migracji komórek zapalnych znajdujących się w miejscu urazu do rusztowania wraz z komórkami macierzystymi. Zaobserwowano, że naczynia krwionośne rosną przez rusztowanie, w ten sposób rusztowanie i komórki są integrowane z tkanką żywiciela.
- Połączenie zaprojektowanych rusztowań stanowi opcję rusztowania 3D, które może mieć zarówno niezbędne wzory do adhezji komórek, jak i elastyczność w dostosowywaniu się do ciągle zmieniającego się środowiska w miejscu urazu. Odkomórkowione rusztowania ECM są opcją dla rusztowań, ponieważ bardziej naśladują natywną tkankę, ale te rusztowania można obecnie zbierać tylko z amputacji i zwłok.
Te rusztowania 3D można wytwarzać przy użyciu technik ługowania cząstek stałych , spieniania gazu, łączenia włókien, odlewania rozpuszczalnikowego lub elektroprzędzenia ; każda technika tworzy rusztowanie o innych właściwościach niż inne techniki.
Wykazano, że powodzenie włączenia rusztowań 3D do OUN zależy od etapu, na którym komórki się różnicują. Późniejsze etapy zapewniają bardziej wydajną implantację, podczas gdy komórki znajdujące się na wcześniejszym etapie muszą być narażone na czynniki, które zmuszają komórki do różnicowania się, a tym samym do odpowiedniej odpowiedzi na sygnały, które komórki otrzymają w miejscu uszkodzenia OUN. Czynnik neurotroficzny pochodzenia mózgowego jest potencjalnym kofaktorem promującym funkcjonalną aktywację neuronów pochodzących z komórek ES w miejscach uszkodzenia OUN.
PNS
Przyczyny uszkodzenia PNS
Uraz PNS może spowodować uszkodzenie tak poważne, jak przecięcie nerwu, dzieląc nerw na część bliższą i dalszą . Nerw dystalny z czasem ulega degeneracji z powodu braku aktywności, podczas gdy proksymalny koniec z czasem puchnie. Dystalny koniec nie degeneruje się od razu, a obrzęk bliższego końca nie powoduje jego niefunkcjonalności, dlatego badane są metody przywrócenia połączenia między dwoma końcami nerwu.
Leczenie i badania PNS
Ponowne połączenie chirurgiczne
Jedną z metod leczenia uszkodzenia PNS jest chirurgiczne ponowne połączenie przerwanego nerwu poprzez pobranie dwóch końców nerwu i zszycie ich razem. Podczas zszywania nerwów, pęczki nerwu są ponownie łączone, łącząc nerw z powrotem. Chociaż ta metoda działa w przypadku zerwań, które tworzą niewielką szczelinę między proksymalnymi i dystalnymi końcami nerwów, metoda ta nie działa w przypadku przerw na większych odległościach ze względu na napięcie, jakie należy wywrzeć na zakończeniach nerwowych. To napięcie powoduje zwyrodnienie nerwu, a zatem nerw nie może się zregenerować i utworzyć funkcjonalnego połączenia neuronowego.
Przeszczepy tkanek
Przeszczepy tkankowe wykorzystują nerwy lub inne materiały do połączenia dwóch końców przeciętego nerwu. Istnieją trzy kategorie przeszczepów tkanek: autologiczne przeszczepy tkanek, nieautologiczne przeszczepy tkanek i przeszczepy bezkomórkowe.
Autologiczne przeszczepy tkanek przeszczepiają nerwy z innej części ciała pacjenta, aby wypełnić lukę między końcami uszkodzonego nerwu. Nerwy te są zazwyczaj nerwami skórnymi , ale zbadano również inne nerwy, uzyskując zachęcające wyniki. Te autologiczne przeszczepy nerwów są obecnie złotym standardem dla przeszczepów nerwów PNS ze względu na wysoce biokompatybilny charakter autologicznych przeszczepów nerwów, ale istnieją problemy dotyczące pobierania nerwów od samych pacjentów i możliwości przechowywania dużej liczby autologicznych przeszczepów na przyszłość używać.
nieautologiczne i bezkomórkowe (w tym materiały na bazie ECM ) to tkanki, które nie pochodzą od pacjenta, ale zamiast tego można je pobrać ze zwłok (tzw. tkanki allogeniczne ) lub zwierząt (tzw. tkanki ksenogeniczne ). Chociaż tkanki te mają przewagę nad autologicznymi przeszczepami tkanek, ponieważ tkanki nie trzeba pobierać od pacjenta, pojawia się trudność związana z możliwością przenoszenia chorób , a tym samym problemów immunogennych . Obecnie badane są metody eliminacji komórek immunogennych, pozostawiające jedynie składniki ECM tkanki, w celu zwiększenia skuteczności nieautologicznych przeszczepów tkanek.
Przewodnictwo
prowadzenia regeneracji PNS wykorzystują kanały prowadzące nerwy, aby pomóc aksonom w odrastaniu wzdłuż prawidłowej ścieżki i mogą kierować czynnikami wzrostu wydzielanymi przez oba końce nerwu w celu promowania wzrostu i ponownego połączenia. Metody prowadzenia zmniejszają bliznowacenie nerwów, zwiększając funkcjonalność nerwów do przenoszenia potencjałów czynnościowych po ponownym połączeniu. W metodach kierowania regeneracją PNS stosuje się dwa rodzaje materiałów: materiały pochodzenia naturalnego i materiały syntetyczne.
Materiały pochodzenia naturalnego to zmodyfikowane rusztowania pochodzące ze składników ECM i glikozaminoglikanów . Laminina , kolagen i fibronektyna , które są składnikami ECM , kierują rozwojem aksonów i promują stymulację i aktywność neuronów. Inne cząsteczki, które mogą promować naprawę nerwów to: kwas hialuronowy , fibrynogen , żele fibrynowe, samoorganizujące się rusztowania peptydowe , alginian , agaroza i chitozan .
Materiały syntetyczne zapewniają również inną metodę regeneracji tkanek, w której można kontrolować chemiczne i fizyczne właściwości przeszczepu. Ponieważ właściwości materiału można określić dla sytuacji, w której jest on używany, materiały syntetyczne są atrakcyjną opcją regeneracji PNS. Stosowanie materiałów syntetycznych wiąże się z pewnymi problemami, takimi jak: łatwe formowanie materiału przeszczepu do wymaganych wymiarów, biodegradowalność, możliwość sterylizacji, odporność na rozdzieranie, łatwość obsługi, niskie ryzyko infekcji i niska reakcja zapalna ze względu na materiał. Materiał musi również utrzymywać kanał podczas regeneracji nerwu. Obecnie najczęściej badane materiały skupiają się głównie na poliestry , ale badane są również biodegradowalne poliuretany , inne polimery i szkło biodegradowalne. Inne możliwości materiałów syntetycznych to polimery przewodzące i polimery modyfikowane biologicznie w celu promowania wzrostu aksonów komórkowych i utrzymania kanału aksonu.
Trudność badań
Ponieważ istnieje tak wiele czynników, które przyczyniają się do sukcesu lub niepowodzenia inżynierii tkanki nerwowej, istnieje wiele trudności związanych z wykorzystaniem inżynierii tkanki nerwowej do leczenia urazów OUN i PUN. Najpierw terapia musi zostać dostarczona do miejsca urazu. Oznacza to, że dostęp do miejsca urazu wymaga operacji lub podania leku. Obie te metody same w sobie wiążą się z ryzykiem i trudnościami, potęgując problemy związane z leczeniem. Drugim problemem jest utrzymanie terapii w miejscu urazu. Komórki macierzyste mają tendencję do migracji z miejsca urazu do innych części mózgu, przez co terapia nie jest tak efektywna, jak gdyby komórki pozostawały w miejscu urazu. Ponadto dostarczenie komórek macierzystych i innych morfogenów do miejsca urazu może spowodować więcej szkody niż pożytku, jeśli wywołają powstawanie nowotworów, zapalenie lub inne nieprzewidziane skutki. Wreszcie odkrycia laboratoryjne mogą nie przekładać się na praktyczne leczenie kliniczne. Leczenie jest skuteczne w laboratorium, a nawet zwierzęcy model urazu może nie być skuteczny u pacjenta będącego człowiekiem.
Powiązane badania
Modelowanie rozwoju tkanki mózgowej in vitro
Dwa modele rozwoju tkanki mózgowej to organoidy mózgowe i kortykopoeza. Modele te zapewniają model „in vitro” normalnego rozwoju mózgu, ale można nimi manipulować, aby reprezentowały defekty neuronalne. Dlatego mechanizmy stojące za zdrowym i nieprawidłowym rozwojem mogą być badane przez badaczy korzystających z tych modeli. Tkanki te można wytworzyć za pomocą mysich embrionalnych komórek macierzystych (ESC) lub ludzkich ESC. ESC myszy są hodowane w białku zwanym inhibitorem Sonic Hedgehog, aby promować rozwój przodomózgowia grzbietowego i badać losy korowe. Wykazano, że ta metoda wytwarza warstwy aksonalne, które naśladują szeroki zakres warstw korowych . Tkanki pochodzące z ludzkich ESC wykorzystują pluripotencjalne komórki macierzyste do tworzenia tkanek na rusztowaniu, tworząc ludzkie EB. Te ludzkie tkanki pochodzące z ESC są tworzone przez hodowanie ludzkich pluripotencjalnych EB w wirującym bioreaktorze .
Ukierunkowana reinerwacja
Ukierunkowana reinerwacja to metoda reinerwacji połączeń nerwowych w OUN i PUN, szczególnie u pacjentów sparaliżowanych i po amputacjach stosujących protezy kończyn. Obecnie badane są urządzenia, które pobierają i rejestrują sygnały elektryczne, które są propagowane przez neurony w odpowiedzi na zamiar poruszania się danej osoby. Badania te mogą rzucić światło na sposób ponownego unerwienia połączeń nerwowych między odciętymi nerwami PNS a połączeniami między przeszczepionymi rusztowaniami 3D do OUN.