Специалисты по биомедицинской инженерии из Университета Дьюка разработали инъекционный биоматериал, который способствует восстановлению мозга после ишемического инсульта. В ходе экспериментов на мышах это вещество превращало полость, образовавшуюся на месте погибших тканей, в благоприятную среду для заживления. Лечение активизировало собственные иммунные клетки организма, стимулировало рост новых кровеносных сосудов, поддерживало изменения в нервной ткани и улучшало двигательные функции животных.
Результаты работы опубликованы в научном журнале Cell Biomaterials. Ишемический инсульт возникает при закупорке кровеносного сосуда тромбом, что приводит к нарушению кровоснабжения участка мозга. Экстренные меры, такие как препараты, растворяющие тромбы, или хирургическое удаление закупорки, позволяют восстановить кровоток и спасти жизнеспособные клетки, однако уже погибшую ткань вернуть нельзя. При тяжелых формах инсульта на месте утраченного вещества образуется полость, и восстановление после этого в основном зависит от реабилитации, которая помогает адаптироваться уцелевшим нейронным связям, но не восстанавливает поврежденную область напрямую.
Как пояснила профессор биомедицинской инженерии Татьяна Сегура, когда ткань мозга уже утрачена, простого восстановления кровотока недостаточно. Задача исследователей заключалась в том, чтобы организовать поврежденное пространство таким образом, чтобы иммунные, сосудистые и нейронные процессы восстановления начали действовать согласованно. Для этого команда применила технологию MAPS (микропористые отожженные частицы-скаффолды), которая представляет собой отдельные гидрогелевые микрочастицы, собирающиеся в пористую структуру, служащую каркасом для проникновения и работы клеток.
В качестве дополнительного инструмента ученые использовали астроциты — звездчатые клетки, играющие важную роль в работе мозга и быстро реагирующие на повреждения. Эти клетки общаются с окружающими тканями через внеклеточные везикулы (EVs) — мельчайшие частицы, переносящие белки, липиды и генетический материал. Исследователи собрали такие везикулы из выращенных в лаборатории астроцитов и химически прикрепили их к поверхности гидрогелевых частиц, чтобы сигналы оставались сконцентрированными внутри скаффолда. Наиболее эффективной оказалась комбинация сигнальных молекул IL-4 и C1q, которая привлекала в поврежденную зону полезные иммунные клетки, включая макрофаги и неожиданно устойчивую популяцию нейтрофилов.
Результаты показали, что роль нейтрофилов, обычно ассоциируемых с воспалением, может быть сложнее. На позднем этапе после травмы при наличии правильных сигналов эти клетки способствуют восстановлению тканей. Когда исследователи сократили популяцию нейтрофилов, образование кровеносных сосудов значительно снизилось, что подтвердило их важность для заживления. Ведущий автор исследования Шанцзин Синь отметил, что роль нейтрофилов зависит от времени их появления, местоположения и получаемых сигналов, и предложенная стратегия позволяет привлекать и удерживать эти клетки в нужный момент. В обработанной области также наблюдался рост аксонов — структур, необходимых для передачи сигналов между клетками мозга.
Улучшения в биологических процессах сопровождались положительной динамикой в двигательной активности: мыши, получившие оптимизированный скаффолд, лучше справлялись с тестом на координацию движений, и к восьмой неделе их показатели не отличались от показателей здоровых животных. При этом введение везикул без биоматериального каркаса не дало сопоставимого эффекта, что указывает на ключевую роль пористой структуры в удержании сигналов в зоне повреждения. Методика пока находится на доклинической стадии, и для оценки безопасности и эффективности потребуются дальнейшие исследования на более крупных моделях. В настоящее время ученые изучают возможность получения везикул из астроцитов, выращенных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека, что может стать более масштабируемым и клинически значимым источником. По словам Сегуры, материал не призван воспроизводить сам мозг, а должен создать условия, в которых собственные клетки организма смогут проникнуть, взаимодействовать и участвовать в восстановлении ткани.