Molekylært stillads tilbyder nye tilgange til rygmarvsskade

Northwestern Medicine-forskere har udviklet et molekylært "stillads", der er i stand til at øge elektrisk aktivitet og vækst i neuroner, hvilket kan vise sig nyttigt til behandling af rygmarvsskader, ifølge nylige resultater offentliggjort i ACS Nano .

Ifølge National Spinal Cord Injury Statistical Center diagnosticeres 17.730 nye rygmarvsskader hvert år, og anslået 291.000 mennesker lever med rygmarvsskader i USA.

Skader på centralnervesystemet, herunder rygmarvsskader, resulterer ofte i langvarig dysfunktion i nervesystemet, da disse neuroner har begrænset evne til at regenerere. Den nuværende undersøgelse undersøgte nye tilgange til at forbedre denne genvækstproces ifølge Samuel Stupp, Ph.D., bestyrelsesprofessor i materialevidenskab og teknik, kemi, medicin og biomedicinsk teknik, som var seniorforfatter til undersøgelsen.

"Effektive terapier til regenerering i centralnervesystemet er dybest set ikke tilgængelige i øjeblikket," sagde Stupp, som også er grundlægger af Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology (SQI) og dets tilknyttede forskningscenter, Center for Regenerative Nanomedicine. "Der er nogle ideer omkring brugen af ​​stamceller og småmolekylære lægemidler, men vores tilgang er noget meget anderledes.

"Vi har udviklet fibre i nanoskala, dannet af titusindvis af molekyler, med kapacitet til at signalere neuroner og andre celler og bygget af naturligt forekommende byggeklodser, der er fuldstændig sikre at bruge. De vandopløselige nanofibre er designet til at geler øjeblikkeligt til en stilladslignende struktur ved injektion på et vævssted, hvor regenerering er nødvendig.

Tidligere forskning har vist, at visse proteiner kan introduceres til et rygmarvsskadested for at fremme heling, men proteinernes korte halveringstid forhindrer dem i at give langvarige resultater.

I undersøgelsen søgte efterforskerne at udvikle en ny type nanofiber, der efterligner bioaktiviteten af ​​proteinet netrin-1 og kan på bæredygtig vis levere signaler til neuroner over lange perioder. Netrin-1 er kendt for at fremme nye neurale forbindelser og vækst og kan være medvirkende til at lede axoner - de lange forlængelser af neuroner, der transmitterer elektriske signaler - til deres mål for at muliggøre gangevne efter rygmarvsskade.

Først designede undersøgelsesforskere en peptidamfifil, den type molekyle, der blev brugt i Stupp-laboratoriet til at skabe bioaktive nanofibre, som havde et netrin-1 mimetisk cirkulært peptid knyttet til at interagere med en specifik cellereceptor. Det netrin-1 mimetiske peptid er ekstremt lille sammenlignet med proteinet og indeholder en nøgleaminosyresekvens, der aktiverede de målrettede cellereceptorer for den ønskede bioaktivitet, ifølge undersøgelsen.

Da efterforskere eksponerede nanofibrene for kortikale museneuroner in vitro, observerede de øget elektrisk aktivitet og mere udvækst af neuritter - nøgleindikatorer for nerveregenerering. Proteinanalyse bekræftede, at nanofibrene aktiverede neuronale netrin-1-receptorer og med succes efterlignede proteinet over længere perioder, ifølge undersøgelsen.

"Vi så, at den netrin-1 mimetiske peptid amfifil nanofiber var i stand til at være lige så bioaktiv som netrin-1 proteinet," sagde Cara Smith, en biomedicinsk ingeniør Ph.D. kandidat i Stupp-laboratoriet og førsteforfatter til papiret. "Ikke kun var det i stand til at øge neuritudvækst, men det var også i stand til at påvirke neuronal modning og guide udviklingen af ​​nye synapser eller kommunikationspunkter mellem neuroner."

Stupp-laboratoriet har allerede afsluttet en foreløbig undersøgelse, der evaluerer nanostrukturens helbredende evner hos levende dyr, med nogle lovende tidlige resultater, sagde Stupp.

"Denne nanofiber tilbyder en vision for meget potente terapier til regenerering i centralnervesystemet, som er fuldstændig sikre at bruge, er bioaktive og meget effektive," sagde Stupp. "De kan også bionedbrydes sikkert, når de har gjort deres arbejde. Den slags platform findes ikke lige nu."

Flere oplysninger: Cara S. Smith et al., Enhanced Neuron Growth and Electrical Activity by a Supramolecular Netrin-1 Mimetic Nanofiber, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c04572. pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c04572

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Northwestern University