Wissenschaftler der Northwestern Medicine haben ein molekulares „Gerüst“ entwickelt, das in der Lage ist, die elektrische Aktivität und das Wachstum in Neuronen zu steigern, was sich nach jüngsten Ergebnissen als nützlich bei der Behandlung von Rückenmarksverletzungen erweisen könnte veröffentlicht In ACS Nano.
Nach Angaben des National Spinal Cord Injury Statistical Center werden jedes Jahr 17.730 neue Rückenmarksverletzungen diagnostiziert, und in den USA leben schätzungsweise 291.000 Menschen mit Rückenmarksverletzungen
Verletzungen des Zentralnervensystems, einschließlich Rückenmarksverletzungen, führen häufig zu einer langfristigen Funktionsstörung des Nervensystems, da diese Neuronen nur über eine eingeschränkte Regenerationsfähigkeit verfügen. Laut Samuel Stupp, Ph.D., dem Kuratoriumsprofessor für Materialwissenschaft und -technik, Chemie, Medizin und Biomedizintechnik, der leitender Autor der Studie war, wurden in der aktuellen Studie neue Ansätze zur Verbesserung dieses Nachwuchsprozesses untersucht.
„Wirksame Therapien zur Regeneration im Zentralnervensystem stehen derzeit grundsätzlich nicht zur Verfügung“, sagte Stupp, der auch Gründungsdirektor des Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology (SQI) und seines angegliederten Forschungszentrums, dem Center for Regenerative Nanomedicine, ist. „Es gibt einige Ideen zur Verwendung von Stammzellen und niedermolekularen Medikamenten, aber unser Ansatz ist etwas ganz anderes.
„Wir haben nanoskalige Fasern entwickelt, die aus Zehntausenden von Molekülen bestehen und die Fähigkeit haben, Neuronen und anderen Zellen Signale zu senden. Sie bestehen aus natürlich vorkommenden Bausteinen, die absolut sicher in der Anwendung sind. Durch die Konstruktion gelieren die wasserlöslichen Nanofasern sofort zu einem Gerüstartige Struktur bei Injektion an einer Gewebestelle, an der eine Regeneration erforderlich ist. Nach einigen Wochen löst der Gerüstsprung Regenerationsprozesse aus und zerfällt dann in Nährstoffe für die Zellen.
Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass bestimmte Proteine in die verletzte Stelle des Rückenmarks eingebracht werden können, um die Heilung zu fördern. Die kurzen Halbwertszeiten der Proteine verhindern jedoch, dass sie dauerhafte Ergebnisse liefern.
In der Studie wollten die Forscher einen neuartigen Nanofasertyp entwickeln, der die Bioaktivität des Proteins Netrin-1 nachahmt und über lange Zeiträume nachhaltig Signale an Neuronen weiterleiten kann. Netrin-1 fördert bekanntermaßen neue neuronale Verbindungen und Wachstum und könnte maßgeblich dazu beitragen, Axone – die langen Fortsätze von Neuronen, die elektrische Signale übertragen – zu ihren Zielen zu leiten, um nach einer Rückenmarksverletzung die Gehfähigkeit zu ermöglichen.
Zunächst entwickelten die Studienforscher ein Peptidamphiphil, die Art von Molekül, die im Stupp-Labor zur Herstellung bioaktiver Nanofasern verwendet wurde und an das ein Netrin-1-mimetisches zirkuläres Peptid gebunden war, um mit einem spezifischen Zellrezeptor zu interagieren. Das mimetische Netrin-1-Peptid ist im Vergleich zum Protein extrem klein und enthält eine Schlüsselaminosäuresequenz, die der Studie zufolge die Zielzellrezeptoren für die gewünschte Bioaktivität aktiviert.
Als Forscher die Nanofasern in vitro kortikalen Neuronen von Mäusen aussetzten, beobachteten sie eine erhöhte elektrische Aktivität und ein stärkeres Auswachsen von Neuriten – Schlüsselindikatoren für die Nervenregeneration. Die Proteinanalyse bestätigte, dass die Nanofasern neuronale Netrin-1-Rezeptoren aktivierten und das Protein über längere Zeiträume hinweg erfolgreich nachahmten, heißt es in der Studie.
„Wir haben gesehen, dass die amphiphile Nanofaser des Netrin-1-Mimetikumspeptids genauso bioaktiv sein konnte wie das Netrin-1-Protein“, sagte Cara Smith, promovierte Biomedizintechnik. Kandidat im Stupp-Labor und Erstautor der Arbeit. „Es war nicht nur in der Lage, das Neuritenwachstum zu fördern, sondern auch die neuronale Reifung zu beeinflussen und die Entwicklung neuer Synapsen oder Kommunikationspunkte zwischen Neuronen zu steuern.“
Das Stupp-Labor habe bereits eine vorläufige Studie zur Bewertung der Heilungsfähigkeiten der Nanostruktur bei lebenden Tieren abgeschlossen, mit einigen vielversprechenden ersten Ergebnissen, sagte Stupp.
„Diese Nanofaser bietet eine Vision für sehr wirksame Therapien zur Regeneration des Zentralnervensystems, die absolut sicher in der Anwendung, bioaktiv und sehr wirksam sind“, sagte Stupp. „Sie können auch sicher biologisch abgebaut werden, sobald sie ihre Arbeit erledigt haben. Eine solche Plattform gibt es derzeit nicht.“
Mehr Informationen:
Cara S. Smith et al., Verbessertes Neuronenwachstum und elektrische Aktivität durch eine supramolekulare Netrin-1-mimetische Nanofaser, ACS Nano (2023). DOI: 10.1021/acsnano.3c04572. pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c04572