Выращенный в лаборатории крошечный спинной мозг только что показал, что ультрасовременная молекулярная терапия может помочь в восстановлении разрушительных повреждений позвоночника.
Флуоресцентные микрофотографии, показывающие увеличение роста нейритов в органоиде спинного мозга человека, обработанном быстро движущимися “танцующими молекулами” (слева), по сравнению с органоидом, обработанным медленно движущимися молекулами (справа), содержащими те же биологически активные сигналы. Автор: Сэмюэл И. Ступп (Samuel I. Stupp)/Северо-Западный университет (Northwestern University)
Ученые из Северо-Западного университета (Northwestern University) создали самую сложную лабораторную модель для изучения повреждений спинного мозга человека.
В новом исследовании команда работала с органоидами спинного мозга человека — миниатюрными органами, полученными из стволовых клеток, — чтобы воссоздать различные формы травм спинного мозга и оценить перспективное регенеративное лечение.
Впервые исследователи показали, что эти органоиды спинного мозга человека могут точно воспроизводить основные биологические последствия повреждения спинного мозга. Модель продемонстрировала гибель клеток, воспаление и образование глиальных рубцов — плотных наростов рубцовой ткани, которые образуют физический и химический барьер, препятствующий восстановлению нервов.
Когда поврежденные органоиды были обработаны «танцующими молекулами» — терапией, которая восстановила движение и восстановила ткани в предыдущем исследовании на животных, — результаты были впечатляющими. Поврежденная ткань вызвала значительный рост нейритов, то есть длинные отростки, которые позволяют нейронам взаимодействовать, начали расти снова. Рубцовая ткань значительно уменьшилась. Полученные результаты подтверждают идею о том, что эта терапия, которая недавно получила статус орфанного препарата от Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA), может улучшить восстановление людей с повреждениями спинного мозга.
Исследование было опубликовано 11 февраля в журнале Nature Biomedical Engineering.
«Одним из самых интересных аспектов органоидов является то, что мы можем использовать их для тестирования новых методов лечения в тканях человека», — сказал Сэмюэл И. Ступп из Northwestern, старший автор исследования и изобретатель «танцующих молекул». «Если не считать клинических испытаний, это единственный способ достичь поставленной цели. Мы решили разработать две разные модели повреждения органоида спинного мозга человека и протестировать нашу терапию, чтобы увидеть, совпадают ли результаты с тем, что мы ранее наблюдали на животных. После применения нашей терапии глиальный рубец значительно уменьшился, став едва заметным, и мы увидели рост нейритов, напоминающий регенерацию аксонов, которую мы наблюдали у животных. Это подтверждает, что у нашей терапии есть хорошие шансы на успех у людей».
Ступп является лидером в области регенеративного материаловедения и имеет звание профессора в области материаловедения и инженерии, химии, медицины и биомедицинской инженерии в Северо-Западном университете. Он работает в инженерной школе Маккормика, Колледже искусств и наук Вайнберга и медицинской школе Файнберга, а также руководит Центром регенеративной наномедицины (CRN). Первым автором статьи является Нозому Таката, доцент-исследователь медицины в Фейнберге и член CRN.
Почему органоиды человека имеют значение
Органоиды выращиваются из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток в лаборатории. Несмотря на то, что они являются упрощенными версиями полноценных органов, они очень напоминают реальную ткань по структуре, клеточному разнообразию и функциям. Благодаря этому органоиды являются мощным инструментом для изучения заболеваний, тестирования методов лечения и изучения того, как развиваются органы. Они также позволяют исследователям работать быстрее и с меньшими затратами по сравнению с экспериментами на животных или клиническими испытаниями на людях.
В то время как другие группы ученых создавали органоиды спинного мозга для изучения основ биологии, эта модель представляет собой значительный шаг вперед в исследованиях травм. Органоиды были размером в несколько миллиметров в поперечнике и были достаточно зрелыми, чтобы выдержать и смоделировать травматические повреждения.
В течение нескольких месяцев команда направляла стволовые клетки для формирования сложной ткани спинного мозга, содержащей нейроны и астроциты. Они также стали первыми, кто внедрил микроглию — иммунные клетки, обнаруженные в центральной нервной системе, — для лучшего воспроизведения воспалительной реакции, возникающей после повреждения спинного мозга.
«Это своего рода псевдоорган», — сказал Ступп. «Мы были первыми, кто внедрил микроглию в органоид спинного мозга человека, и это стало огромным достижением. Это означает, что наш органоид содержит все химические вещества, которые вырабатывает местная иммунная система в ответ на повреждение. Это делает его более реалистичной и точной моделью повреждения спинного мозга».
Что такое «Танцующие молекулы»
Как только органоиды спинного мозга были полностью разработаны, исследователи сосредоточили свое внимание на тестировании повреждений и лечении. Впервые представленная в 2021 году терапия «танцующие молекулы» использует управляемые молекулярные движения для восстановления тканей и потенциального устранения паралича после травматического повреждения спинного мозга. Он относится к более широкому классу супрамолекулярных терапевтических пептидов (STP), которые основаны на больших группах из 100 000 или более молекул, активирующих клеточные рецепторы и стимулирующих естественные восстановительные процессы организма. (Концепция супрамолекулярной терапии также используется в современных препаратах GLP-1 для снижения веса и лечения диабета — области, которую лаборатория Stupp исследовала почти 15 лет назад.)
Терапия проводится в виде инъекции жидкости, которая быстро формирует сеть нановолокон, напоминающих внеклеточный матрикс спинного мозга. Регулируя динамику перемещения молекул внутри этой структуры, исследователи повысили эффективность их взаимодействия с постоянно меняющимися клеточными рецепторами.
«Учитывая, что сами клетки и их рецепторы находятся в постоянном движении, вы можете себе представить, что молекулы, движущиеся быстрее, будут чаще сталкиваться с этими рецепторами», — сказал Ступп в 2021 году. «Если молекулы медлительны и не столь «общительны», они могут никогда не вступить в контакт с клетками».
В предыдущих экспериментах на животных однократная инъекция, сделанная через 24 часа после тяжелой травмы, позволила мышам снова ходить в течение четырех недель. Препараты с более быстрым молекулярным движением показали лучшие результаты, чем более медленные варианты, что позволяет предположить, что повышенное движение усиливает биологическую активность и передачу сигналов клетками.
Имитация травмы спинного мозга
Чтобы протестировать терапию, исследователи создали два распространенных типа повреждений спинного мозга в органоидах. Некоторые из них были разрезаны скальпелем, имитируя рваную рану, похожую на хирургическую. Другие получили компрессионные ушибы, сравнимые с травмами в результате серьезной автомобильной аварии или падения.
Оба типа повреждений приводят к гибели клеток и образованию глиальных рубцов — точно так же, как это происходит при реальной травме спинного мозга.
«Мы смогли отличить астроциты, которые являются частью нормальной ткани, от астроцитов в глиальном рубце, которые большие и очень плотно упакованы», — сказал Ступп. «Мы также обнаружили выработку протеогликанов хондроитинсульфата, которые представляют собой молекулы в нервной системе, реагирующие на травмы и болезни».
После обработки «танцующими молекулами» гелеобразный каркас из нановолокон уменьшил воспаление, сократил образование глиальных рубцов, стимулировал рост нейритов и способствовал упорядоченному росту нейронов.
К нейритам относятся аксоны, которые часто повреждаются при травмах спинного мозга. Когда аксоны перерезаются, связь между нейронами нарушается, что приводит к параличу и потере чувствительности ниже места повреждения. Стимулирование роста нейритов может восстановить эти пути и помочь восстановить функцию.
Роль молекулярного движения
Ступп объясняет эффективность терапии супрамолекулярным движением, что означает способность молекул быстро перемещаться и даже ненадолго отделяться от сети нановолокон. Эксперименты со здоровыми органоидами подтвердили эту идею.
«Еще до того, как мы разработали модель повреждения, мы протестировали терапию на здоровом органоиде», — сказал он. «Танцующие молекулы создавали все эти длинные нейриты на поверхности органоида, но когда мы использовали молекулы, которые были менее подвижными или вообще не двигались, мы ничего не увидели. Это различие было очень заметным».
Забегая вперед, команда планирует разработать еще более совершенные органоиды для усовершенствования своих моделей. Они также намерены разработать версии, которые воспроизводят хронические, застарелые травмы, которые обычно сопровождаются более толстой и стойкой рубцовой тканью. По словам Ступпа, при дальнейшем развитии эти миниатюрные спинные мозги могут внести свой вклад в персонализированную медицину, создавая имплантируемую ткань из собственных стволовых клеток пациента, снижая риск иммунного отторжения.
Исследование «Травма и терапия в органоиде спинного мозга человека» было проведено при поддержке Центра регенеративной наномедицины Северо-Западного университета и в качестве подарка от семьи Джона Потоцнака для исследования повреждений спинного мозга.