Выращенный в лаборатории спинной мозг человека заживает после травмы

В новом исследовании команда работала с органоидами спинного мозга человека — миниатюрными органами, полученными из стволовых клеток, — чтобы воссоздать различные формы травм спинного мозга и оценить многообещающее регенеративное лечение.

Впервые исследователи показали, что эти органоиды спинного мозга человека могут точно воспроизводить основные биологические последствия травмы спинного мозга. Модель продемонстрировала гибель клеток, воспаление и глиальное рубцевание — толстое скопление рубцовой ткани, образующее физический и химический барьер, препятствующий восстановлению нервов.

Когда поврежденные органоиды обрабатывали «танцующими молекулами» (терапия, которая восстановила движение и восстановила ткани в предыдущем исследовании на животных), результаты были впечатляющими. Поврежденная ткань вызвала значительный рост нейритов, а это означает, что длинные отростки, которые позволяют нейронам общаться, начали снова расти. Рубцовая ткань значительно уменьшилась. Полученные данные подтверждают идею о том, что эта терапия, которая недавно получила статус орфанного препарата от Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA), может улучшить выздоровление людей с травмами спинного мозга.

Исследование было опубликовано 11 февраля в журнале Природная биомедицинская инженерия.

«Один из самых интересных аспектов органоидов заключается в том, что мы можем использовать их для тестирования новых методов лечения на тканях человека», — сказал Сэмюэл И. Ступп из Northwestern, старший автор исследования и изобретатель танцующих молекул. «Если не считать клинических испытаний, это единственный способ достичь этой цели. Мы решили разработать две разные модели повреждения в органоиде спинного мозга человека и протестировать нашу терапию, чтобы увидеть, напоминают ли результаты то, что мы ранее видели на животной модели. После применения нашей терапии глиальный рубец значительно исчез и стал едва заметным, и мы увидели рост нейритов, напоминающий регенерацию аксонов, которую мы наблюдали у животных. Это подтверждение того, что наша терапия имеет хорошие шансы работать на людях».

Ступп является лидером в области регенеративного материаловедения и имеет звание профессора попечительского совета в области материаловедения и инженерии, химии, медицины и биомедицинской инженерии Северо-Западного университета. Он имеет должности в Инженерной школе Маккормика, Колледже искусств и наук Вайнберга и Медицинской школе Файнберга, а также руководит Центром регенеративной наномедицины (CRN). Первым автором статьи является Нозому Таката, доцент кафедры медицины Фейнберга и член CRN.

Почему человеческие органоиды имеют значение

Органоиды выращивают из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток в лаборатории. Хотя они представляют собой упрощенные версии полноценных органов, по структуре, клеточному разнообразию и функциям они очень напоминают настоящие ткани. По этой причине органоиды являются мощным инструментом для изучения болезней, тестирования методов лечения и изучения того, как развиваются органы. Они также позволяют исследователям действовать быстрее и с меньшими затратами по сравнению с экспериментами на животных или клиническими испытаниями на людях.

В то время как другие группы производили органоиды спинного мозга для изучения фундаментальной биологии, эта модель представляет собой крупный прогресс в исследованиях травм. Органоиды имели размер несколько миллиметров в поперечнике и были достаточно зрелыми, чтобы выдерживать и моделировать травматические повреждения.

В течение нескольких месяцев команда управляла стволовыми клетками для формирования сложной ткани спинного мозга, содержащей нейроны и астроциты. Они также стали первыми, кто включил микроглию — иммунные клетки, обнаруженные в центральной нервной системе, — чтобы лучше воспроизводить воспалительную реакцию, возникающую после травмы спинного мозга.

«Это своего рода псевдоорган», — сказал Ступп. «Мы были первыми, кто ввел микроглию в органоид спинного мозга человека, и это было огромным достижением. Это означает, что наш органоид содержит все химические вещества, которые резидентная иммунная система производит в ответ на травму. Это делает его более реалистичной и точной моделью травмы спинного мозга».

Что такое танцующие молекулы

Как только органоиды спинного мозга были полностью развиты, исследователи обратили свое внимание на тестирование травм и методов лечения. Терапия танцующими молекулами, впервые представленная в 2021 году, использует контролируемое молекулярное движение для восстановления тканей и, возможно, обратного паралича после травматического повреждения спинного мозга. Он принадлежит к более широкому классу супрамолекулярных терапевтических пептидов (STP), которые основаны на больших сборках из 100 000 или более молекул для активации клеточных рецепторов и стимуляции естественных сигналов восстановления организма. (Концепция супрамолекулярной терапии также используется в современных препаратах GLP-1 для снижения веса и диабета — области, которую лаборатория Ступпа исследовала почти 15 лет назад.)

Терапия проводится в виде инъекции жидкости, которая быстро формирует сеть нановолокон, напоминающую внеклеточный матрикс спинного мозга. Регулируя динамику движения молекул внутри этой структуры, исследователи улучшили эффективность их взаимодействия с постоянно меняющимися клеточными рецепторами.

«Учитывая, что сами клетки и их рецепторы находятся в постоянном движении, можно представить, что молекулы, движущиеся быстрее, будут чаще сталкиваться с этими рецепторами», — сказал Ступп в 2021 году. «Если молекулы медленны и не такие «социальные», они могут никогда не вступить в контакт с клетками».

В предыдущих экспериментах на животных одна инъекция, сделанная через 24 часа после тяжелой травмы, позволяла мышам снова ходить в течение четырех недель. Составы с более быстрым молекулярным движением работали лучше, чем более медленные версии, что позволяет предположить, что увеличение движения усиливает биологическую активность и передачу сигналов в клетках.

Имитация травмы спинного мозга

Чтобы протестировать терапию, исследователи создали два распространенных типа повреждений спинного мозга в органоидах. Некоторых порезали скальпелем, чтобы имитировать рваную рану, похожую на хирургическую рану. Другие получили компрессионный ушиб, сравнимый с травмой в результате серьезной автомобильной аварии или падения.

Оба типа травм привели к гибели клеток и образованию глиальных рубцов – точно так же, как это происходит при реальной травме спинного мозга.

«Мы смогли отличить астроциты, являющиеся частью нормальной ткани, от астроцитов в глиальном рубце, которые большие и очень плотно упакованы», — сказал Ступп. «Мы также обнаружили выработку протеогликанов хондроитинсульфата — молекул в нервной системе, которые реагируют на травмы и болезни».

После обработки танцующими молекулами гелеобразный каркас из нановолокон уменьшил воспаление, уменьшил глиальные рубцы, стимулировал расширение нейритов и стимулировал рост нейронов в организованном порядке.

Нейриты включают аксоны, которые часто повреждаются при травмах спинного мозга. При повреждении аксонов связь между нейронами нарушается, что приводит к параличу и потере чувствительности ниже места повреждения. Стимулирование повторного роста нейритов может воссоединить эти пути и помочь восстановить функцию.

Роль молекулярного движения

Ступп объясняет эффективность терапии супрамолекулярным движением, то есть способностью молекул быстро двигаться и даже ненадолго отрываться от сети нановолокон. Эксперименты на здоровых органоидах подтвердили эту идею.

«Прежде чем мы разработали модель травмы, мы протестировали терапию на здоровом органоиде», — сказал он. «Танцующие молекулы раскручивали все эти длинные нейриты на поверхности органоида, но когда мы использовали молекулы, которые двигались меньше или вообще не двигались, мы ничего не видели. Эта разница была очень яркой».

Заглядывая в будущее, команда планирует разработать еще более совершенные органоиды для усовершенствования своих моделей. Они также намерены разработать версии, имитирующие хронические, давние травмы, которые обычно включают более толстую и устойчивую рубцовую ткань. По словам Ступпа, при дальнейшем развитии эти миниатюрные спинные мозги могут внести вклад в персонализированную медицину, создавая имплантируемую ткань из собственных стволовых клеток пациента, снижая риск иммунного отторжения.

Исследование «Повреждение и терапия органоида спинного мозга человека» было поддержано Центром регенеративной наномедицины Северо-Западного университета и подарком от семьи Джона Поточнака для исследования травм спинного мозга.