مهندسان پزشکی دانشگاه دوک یک زیستماده قابل تزریق ساختهاند که ممکن است به مغز برای بهبود از آسیبهای باقیمانده پس از سکته ایسکمیک کمک کند. در آزمایشهایی که روی موشها انجام شد، این ماده حفرهای را که بر اثر از دست رفتن بافت مغزی ایجاد شده بود، به محیطی مساعدتر برای بهبود تبدیل کرد.
این درمان سلولهای ایمنی خود بدن را جذب کرد، تشکیل عروق خونی جدید را تشویق نمود، تغییرات در بافت عصبی را پشتیبانی کرد و عملکرد حرکتی در حیوانات را بهبود بخشید.
یافتهها در مجله Cell Biomaterials منتشر شدند.
چالش ترمیم بافت مغز پس از سکته
هر سال میلیونها نفر دچار سکتههای ایسکمیک میشوند. این سکتهها زمانی رخ میدهند که لخته خون جریان خون به بخشی از مغز را مسدود کند.
درمانهای اورژانسی مانند داروهای حلکننده لخته و اقداماتی که به صورت فیزیکی لخته را حذف میکنند، میتوانند گردش خون را بازیابی کرده و به نجات بافت مغزی که هنوز زنده است کمک کنند. با این حال، پس از اینکه بافت مغزی مرد، بازگرداندن جریان خون نمیتواند آنچه از دست رفته است را جایگزین کند.
سکتههای شدید میتوانند مقادیر قابل توجهی از بافت را از بین ببرند و حفرهای را جایی که قبلاً بافت سالم مغزی وجود داشت، باقی بگذارند. پس از اینکه پزشکان لخته را حذف میکنند، بهبودی عمدتاً به بازتوانی بستگی دارد. بازتوانی میتواند به مدارهای زنده مغز کمک کند تا سازگار شوند، اما مستقیماً منطقه آسیبدیده را بازسازی نمیکند.
«وقتی بافت مغزی از دست رفته باشد، بازگرداندن جریان خون دیگر کافی نیست»، گفت تاتیانا سگوورا، استاد ممتاز مهندسی پزشکی رابرت پلونزی در دانشگاه دوک. «هدف ما این است که فضای آسیبدیده را مهندسی کنیم تا فرآیندهای ترمیمی ایمنی، عروقی و عصبی بتوانند با هم همکاری کنند.»
ساخت اسکافولد برای ترمیم مغز
سگوورا و تیمش به دنبال ایجاد محیطی در داخل حفره سکته بودند که بتواند از چندین نوع ترمیم همزمان پشتیبانی کند.
آنها از MAPS یا اسکافولدهای ذرات آنیل شده میکروپور استفاده کردند. این اسکافولدها از ذرات هیدروژلی میکرو جداگانهای تشکیل شدهاند که در یک ساختار متخلخل جمع میشوند. فضاهای باز به سلولها چارچوبی میدهند که میتوانند وارد آن شوند و هنگام بازسازی بافت عصبی از آن استفاده کنند.
بر پایه موفقیتهای قبلی با این زیستماده، محققان میخواستند تعیین کنند که آیا میتوانند از سیستم ایمنی بدن نیز برای هدایت و تقویت فرآیند ترمیم استفاده کنند یا خیر.
برای آن بخش از استراتژی، آنها بر آستروسیتها تمرکز کردند. این سلولهای ستارهای شکل نقشهای مهمی در عملکرد طبیعی مغز دارند و وقتی مغز آسیب میبیند، سریع واکنش نشان میدهند.
آستروسیتها بخشی از ارتباط خود با سلولهای اطراف را با انتشار وزیکولهای خارجسلولی یا EVs انجام میدهند. این بستههای بسیار کوچک حاوی پروتئینها، لیپیدها و مواد ژنتیکی هستند که میتوانند رفتار سایر سلولها را تحت تأثیر قرار دهند.
حفظ سیگنالهای ترمیمی در محل مورد نیاز
محققان EVs را از آستروسیتهای پرورشیافته در آزمایشگاه جمعآوری کردند و آنها را با مولکولهای سیگنالدهی مختلفی که برای جذب سلولهای ایمنی، تشویق به ترمیم عروق خونی و بهبود عملکرد طراحی شده بودند، آزمایش کردند.
به جای تزریق ساده EVs به ناحیه آسیبدیده، دانشمندان آنها را به صورت شیمیایی به سطوح ذرات هیدروژل متصل کردند. این کار سیگنالها را در داخل اسکافولد متمرکز نگه داشت و به سلولهای در حال ورود فرصت بهتری برای مواجهه با آنها داد.
«ما صرفاً یک ماده را در مغز قرار نمیدهیم»، سگوورا گفت. «ما یک محیط محلی مهندسی میکنیم که بتواند چندین بخش از پاسخ ترمیمی را هماهنگ کند.»
یک ترکیب سیگنالدهی برجسته شد. IL-4 و C1q در کشیدن سلولهای ایمنی احتمالا مفید به ناحیه آسیبدیده به ویژه مؤثر بودند.
آن سلولها شامل ماکروفاژها و همچنین جمعیتی غیرمنتظره و پایدار از نوتروفیلها بود.
نقش غیرمنتظره نوتروفیلها
نوتروفیلها اغلب با التهاب و آسیب بافتی در مراحل اولیه سکته مرتبط هستند. نتایج جدید نشان میدهد که نقش آنها ممکن است پیچیدهتر باشد.
در نقطهای بعدی پس از آسیب، و زمانی که در معرض سیگنالها و محیط مادی مناسب باشند، نوتروفیلها ممکن است به جای آن به پشتیبانی از ترمیم بافت کمک کنند.
محققان اهمیت آنها را با کاهش جمعیت سلولهای ایمنی غنی از نوتروفیل آزمایش کردند. وقتی این کار را انجام دادند، تشکیل عروق خونی به طور قابل توجهی کاهش یافت و اسکافولد بازآرایی کمتری را تجربه کرد.
نتیجه نشان داد که این سلولهای ایمنی نقش مهمی در پاسخ بهبودی ایفا میکردند.
«این نتیجه نحوه تفکر ما درباره نوتروفیلها پس از سکته را تغییر میدهد»، گفت شانجینگ شین، دانشمند ارشد مطالعه و پژوهشگر پسدکترا در آزمایشگاه سگوورا. «نقش آنها به نظر میرسد به زمان ورود، مکان حضور و سیگنالهایی که از محیط اطراف دریافت میکنند بستگی دارد. مطالعه ما یک استراتژی مهندسی بالقوه را برای جذب و نگهداری این سلولها در زمان مناسب نشان میدهد.»
عروق خونی جدید و رشد عصبی
همانطور که سلولهای ایمنی به ناحیه تحت درمان وارد میشدند، عروق خونی جدید نیز در سراسر حفره سکته تشکیل میشدند.
محققان فیبرهای آکسونی بیشتری را هم در داخل و هم در اطراف ناحیه آسیبدیده یافتند. آکسونها ساختارهای اساسی هستند که به سلولهای مغزی اجازه میدهند سیگنالها را منتقل کنند.
تغییرات بیولوژیکی همراه با بهبودی در حرکت بود.
موشهای تحت درمان با اسکافولد بهینهشده در تست راه رفتن روی شبکه که برای اندازهگیری خطاها در قرار دادن پنجههای جلویی طراحی شده بود، بهتر عمل کردند. تا هفته هشتم، عملکرد آنها از نظر آماری از عملکرد موشهای کنترل سالم قابل تشخیص نبود. این بهبودی همچنین برای باقیمانده مطالعه پایدار ماند.
اسکافولد ضروری بود
محققان همچنین آزمایش کردند که آیا وزیکولهای خارجسلولی میتوانند بدون اسکافولد زیستماده اثرات مشابهی تولید کنند یا خیر.
آنها نتوانستند.
EVs تجویز شده بدون اسکافولد MAP نتوانستند ترمیم عروق خونی قابل مقایسهای ایجاد کنند. آن یافته نشان میدهد که زیستماده بیش از انتقال ساده سیگنالهای درمانی به مغز انجام میداد.
معماری متخلخل آن، همراه با تواناییاش در متمرکز نگه داشتن سیگنالهای EV در ناحیه آسیبدیده، به نظر میرسد برای پاسخ ترمیمی حیاتی بوده است.
هنوز یک درمان در مرحله اولیه
علیرغم نتایج امیدوارکننده، این رویکرد همچنان پیشبالینی است.
تا کنون، محققان این درمان را در مدلهای موشی با تزریق مستقیم ماده به ناحیه آسیبدیده مغز آزمایش کردهاند.
تحقیقات بیشتری لازم خواهد بود تا ایمنی ارزیابی شود، دقیقاً مشخص شود که چگونه جمعیتهای مختلف سلولهای ایمنی بر بهبودی تأثیر میگذارند و تعیین شود که آیا این درمان در مدلهای بزرگتری که سکته انسانی را شبیهسازی میکنند کار میکند یا خیر.
محققان در حال حاضر EVs را از آستروسیتهای اولیه موشی به دست میآورند.
به عنوان گام بعدی، آزمایشگاه سگوورا در حال بررسی EVs تولید شده توسط آستروسیتهای مشتقشده از سلولهای بنیادی پلوریپوتنت القایی انسانی است. چنین سلولهایی میتوانند منبعی مقیاسپذیرتر و مرتبطتر با بالین ارائه دهند و در عین حال کنترل بیشتری به محققان درباره سیگنالهای موجود در داخل EVs بدهند.
«شما یک اکوسیستم را صرفاً با محدود کردن آسیب اولیه بازیابی نمیکنید»، سگوورا گفت. «شما باید شرایطی را ایجاد کنید که اجازه دهد زندگی بازگردد. این همان طرز فکر ما نسبت به حفره سکته است. ماده قصد ندارد خود مغز را بازتولید کند، بلکه محیطی را ایجاد میکند که در آن سلولهای خود بدن بتوانند وارد شوند، ارتباط برقرار کنند و در بازسازی بافت عروقی مشارکت کنند.»