Unikalny nowy materiał opracowany na University of Limerick w Irlandii wykazał znaczącą nadzieje w leczeniu urazów rdzenia kręgowego.

Badania przeprowadzone w UL’s Bernal Institute — opublikowane w czasopiśmie Biomaterials Research — przyniosły ekscytujący postęp w dziedzinie naprawy tkanek rdzenia kręgowego.

Nowe hybrydowe biomateriały opracowane na UL w postaci nanocząstek i opierające się na istniejącej praktyce w dziedzinie inżynierii tkankowej, zostały z powodzeniem zsyntetyzowane w celu promowania naprawy i regeneracji po urazie rdzenia kręgowego, jak twierdzą badacze.

Zespół UL kierowany przez profesora Maurice N Collins, Associate Professor, School of Engineering na UL i głównego autora Aleksandra Serafin, doktoranta na UL, użył nowego rodzaju materiału rusztowania i unikalnego nowego elektrycznie przewodzącego kompozytu polimerowego do promowania wzrostu i generowania nowej tkanki, która mogłaby posunąć naprzód leczenie urazu rdzenia kręgowego.

„Uszkodzenie rdzenia kręgowego pozostaje jednym z najbardziej osłabiających urazów traumatycznych, które osoba może ponieść w ciągu swojego życia, wpływając na każdy aspekt życia tej osoby” – wyjaśnił profesor Collins.

„Wyniszczające zaburzenie powoduje paraliż poniżej poziomu urazu, a w samych Stanach Zjednoczonych roczne koszty opieki zdrowotnej nad pacjentami z SCI wynoszą 9,7 miliarda dolarów. Ponieważ obecnie nie ma powszechnie dostępnego leczenia, ciągłe badania w tej dziedzinie są kluczowe dla znalezienia leczenia, które poprawi jakość życia pacjenta, a pole badawcze zwraca się w kierunku inżynierii tkankowej dla nowatorskich strategii leczenia.

„Dziedzina inżynierii tkankowej ma na celu rozwiązanie globalnego problemu niedoboru oddawanych organów i tkanek, w którym pojawił się nowy trend w postaci przewodzących biomateriałów. Na komórki w organizmie wpływa stymulacja elektryczna, zwłaszcza komórki o charakterze przewodzącym, takie jak komórki serca czy nerwowe” – wyjaśnił prof. Collins.

Zespół badawczy opisuje rosnące zainteresowanie wykorzystaniem elektroprzewodzących rusztowań inżynierii tkankowej, które pojawiło się ze względu na lepszy wzrost i proliferację komórek, gdy komórki są wystawione na działanie rusztowania przewodzącego.

„Podnoszenie przewodności biomateriałów w celu opracowania takich strategii leczenia zazwyczaj koncentruje się na dodawaniu składników przewodzących, takich jak nanorurki węglowe lub polimery przewodzące, takie jak PEDOT:PSS, który jest komercyjnie dostępnym polimerem przewodzącym, który był dotychczas stosowany w dziedzinie inżynierii tkankowej”, wyjaśniła główna autorka Aleksandra Serafin, doktorantka w Bernal i na Wydziale Nauki i Inżynierii UL.

„Niestety, utrzymują się poważne ograniczenia przy stosowaniu polimeru PEDOT:PSS w aplikacjach biomedycznych. Polimer opiera się na składniku PSS, aby umożliwić mu rozpuszczalność w wodzie, ale kiedy ten materiał jest wszczepiony w ciało, wykazuje słabą biokompatybilność.

„Oznacza to, że po ekspozycji na ten polimer, organizm ma potencjalne reakcje toksyczne lub immunologiczne, które nie są idealne w już uszkodzonej tkance, którą próbujemy zregenerować. To poważnie ogranicza, które składniki hydrożelu mogą być z powodzeniem włączone do tworzenia przewodzących rusztowań” – dodała.

W celu pokonania tego ograniczenia w badaniu opracowano nowe nanocząstki PEDOT (NPs). Synteza przewodzących PEDOT NPs pozwala na dostosowanie modyfikacji powierzchni NPs w celu osiągnięcia pożądanej odpowiedzi komórek i zwiększenia zmienności składników hydrożelu, które mogą być włączone, bez wymaganej obecności PSS dla rozpuszczalności w wodzie.

W tej pracy hybrydowe biomateriały składające się z żelatyny i immunomodulującego kwasu hialuronowego, materiału, który profesor Collins opracował w ciągu wielu lat pracy na UL, zostały połączone z opracowanymi nowatorskimi PEDOT NPs w celu stworzenia biokompatybilnych rusztowań elektroprzewodzących do ukierunkowanej naprawy uszkodzeń rdzenia kręgowego.

Przeprowadzono kompletne badania struktury, właściwości i funkcji tych precyzyjnie zaprojektowanych rusztowań w celu optymalizacji działania w miejscu urazu, w tym badania in-vivo na szczurzych modelach urazu rdzenia kręgowego, które zostały podjęte przez panią Serafin podczas wymiany badawczej Fulbrighta na Wydziale Neuronauki Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, który był partnerem w tym projekcie.

„Wprowadzenie PEDOT NPs do biomateriału zwiększyło przewodność próbek. Ponadto właściwości mechaniczne wszczepionych materiałów powinny naśladować tkankę będącą przedmiotem zainteresowania w strategiach inżynierii tkankowej, przy czym opracowane rusztowania z PEDOT NP odpowiadają wartościom mechanicznym natywnego rdzenia kręgowego” – wyjaśnili badacze.

Biologiczną odpowiedź na opracowane rusztowania PEDOT NP badano z użyciem komórek macierzystych in-vitro oraz w zwierzęcych modelach uszkodzenia rdzenia kręgowego in-vivo. Zaobserwowano doskonałe przyleganie i wzrost komórek macierzystych na rusztowaniach.

Badania wykazały większą migrację komórek aksonalnych w kierunku miejsca uszkodzenia rdzenia kręgowego, do którego wszczepiono rusztowanie PEDOT NP, a także niższe poziomy bliznowacenia i zapalenia niż w modelu uszkodzenia, w którym nie zastosowano rusztowania, jak wynika z badań.

Ogólnie rzecz biorąc, te wyniki pokazują potencjał tych materiałów do naprawy rdzenia kręgowego, mówią zespół badawczy.

”Wpływ, jaki uraz rdzenia kręgowego ma na życie pacjenta, jest nie tylko fizyczny, ale także psychologiczny, ponieważ może poważnie wpłynąć na zdrowie psychiczne pacjenta, powodując zwiększoną częstość występowania depresji, stresu lub lęku”, wyjaśniła pani Serafin.

„Leczenie urazów kręgosłupa pozwoli zatem nie tylko na ponowne chodzenie lub poruszanie się pacjenta, ale umożliwi mu życie w pełni jego potencjału, co sprawia, że projekty takie jak ten są tak istotne dla środowisk badawczych i medycznych”. Ponadto, ogólny wpływ społeczny polegający na zapewnieniu skutecznego leczenia urazów rdzenia kręgowego doprowadzi do zmniejszenia kosztów opieki zdrowotnej związanych z leczeniem pacjentów.

„Wyniki te oferują zachęcające perspektywy dla pacjentów i planowane są dalsze badania w tym zakresie.

„Badania wykazały, że próg pobudliwości neuronów ruchowych na dystalnym końcu uszkodzenia rdzenia kręgowego ma tendencję do bycia wyższym. Przyszły projekt ma na celu dalsze udoskonalenie konstrukcji rusztowania i stworzenie gradientów przewodności w rusztowaniu, gdzie przewodność wzrasta w kierunku dystalnego końca uszkodzenia, aby dalej stymulować neurony do regeneracji” – dodała.

Projekt został sfinansowany przez Irlandzką Radę ds. Badań Naukowych we współpracy z firmą Johnson & Johnson, a także przez Irlandzkie Stowarzyszenie Fulbrighta, które umożliwiło wymianę badawczą na University of California San Diego. Wsparcie zapewnił również Wydział Nauki i Inżynierii oraz Instytut Badań nad Zdrowiem na UL.

Źródło: University of Limerick