Grafen nanobånd viser løfte om at helbrede rygmarvsskader

Kombinationen af ​​grafen nanobånd lavet med en proces udviklet på Rice University og en almindelig polymer kan en dag være af afgørende betydning for at helbrede beskadigede rygmarv hos mennesker, ifølge Rice kemiker James Tour.

Tour-laboratoriet har brugt et årti på at arbejde med grafen nanobånd, begyndende med opdagelsen af ​​en kemisk proces til at "udpakke" dem fra flervæggede kulstof nanorør, som afsløret i et Nature-blad i 2009. Siden da, forskerne har brugt dem til at forbedre materialer til f.eks. tømidler til flyvinger, bedre batterier og mindre permeable beholdere til naturgaslagring.

Nu har deres arbejde med at udvikle nanobånd til medicinske applikationer resulteret i et materiale kaldet Texas-PEG, der kan hjælpe med at strikke beskadigede eller endda afskårne rygmarv.

Et papir om resultaterne af foreløbige dyremodelforsøg udkommer i dag i tidsskriftet Kirurgisk Neurologi International .

Grafen nanobånd tilpasset til medicinsk brug af William Sikkema, en Rice kandidatstuderende og medforfatter af papiret, er meget opløselige i polyethylenglycol (PEG), en biokompatibel polymergel, der bruges i operationer, farmaceutiske produkter og i andre biologiske anvendelser. Når de biokompatible nanobånd har deres kanter funktionaliserede med PEG-kæder og derefter blandes yderligere med PEG, de danner et elektrisk aktivt netværk, der hjælper de afskårne ender af en rygmarv igen.

"Neuroner vokser pænt på grafen, fordi det er en ledende overflade, og det stimulerer neuronal vækst, " sagde Tour.

I forsøg på Rice og andre steder, neuroner er blevet observeret vokse langs grafen.

"Vi er ikke det eneste laboratorium, der har demonstreret neuroner, der vokser på grafen i en petriskål, " sagde han. "Forskellen er, at andre laboratorier ofte eksperimenterer med vandopløseligt grafenoxid, som er langt mindre ledende end grafen, eller ikke-båndede strukturer af grafen.

"Vi har udviklet en måde at tilføje vandopløseliggørende polymerkæder til kanterne af vores nanobånd, der bevarer deres ledningsevne, mens de gør dem opløselige, og vi er lige nu begyndt at se potentialet for dette i biomedicinske applikationer, " sagde han. Han tilføjede, at ribboniserede grafenstrukturer gør det muligt at bruge meget mindre mængder, mens man bevarer en ledende bane, der bygger bro over de beskadigede rygmarv.

Tour sagde, at kun 1 procent af Texas-PEG består af nanobånd, men det er nok til at danne et ledende stillads, hvorigennem rygmarven kan forbindes igen.

Texas-PEG lykkedes med at genoprette funktionen hos en gnaver med en overskåret rygmarv i en procedure udført på Konkuk University i Sydkorea af medforfatterne Bae Hwan Lee og C-Yoon Kim. Tour sagde, at materialet pålideligt tillod motoriske og sensoriske neuronale signaler at krydse hullet 24 timer efter fuldstændig gennemskæring af rygmarven og næsten perfekt genopretning af motorkontrol efter to uger.

"Dette er et stort fremskridt i forhold til tidligere arbejde med PEG alene, som ikke gav nogen genopretning af sensoriske neuronale signaler i samme tidsrum og kun 10 procent motorisk kontrol over fire uger, " sagde Tour.

Projektet begyndte, da Sikkema læste om arbejde af den italienske neurokirurg Sergio Canavero. Sikkema mente, at nanobånd kunne forbedre forskning, der afhang af PEG's evne til at fremme fusionen af ​​cellemembraner ved at tilføje elektrisk ledningsevne og retningsbestemt kontrol for neuroner, da de spændte over hullet mellem sektioner af rygmarven. Kontakten til lægen førte til et samarbejde med de sydkoreanske forskere.

Tour sagde, at Texas-PEGs potentiale til at hjælpe patienter med rygmarvsskader er for lovende til at blive minimeret. "Vores mål er at udvikle dette som en måde at håndtere rygmarvsskade på. Vi tror, ​​vi er på rette vej, " han sagde.

"Dette er en spændende neurofysiologisk analyse efter fuldstændig adskillelse af en rygmarv, " sagde Tour. "Det er ikke en adfærdsmæssig eller lokomotiv undersøgelse af den efterfølgende reparation. Den tangentielle singulære lokomotivanalyse her er en spændende markør, men det er ikke i et statistisk signifikant sæt af dyr. De næste faser af undersøgelsen vil fremhæve lokomotiv- og adfærdsfærdigheder med statistisk relevans for at vurdere, om disse kvaliteter følger den gunstige neurofysiologi, som vi registrerede her."