Nanobiomaterial fördert das neuronale Wachstum bei Mäusen mit Rückenmarksverletzungen

Forscher der Abteilung für Orthopädie des Tongji-Krankenhauses der Tongji-Universität in Shanghai haben erfolgreich ein Nanobiomaterial namens Layered Double Hydroxide (LDH) eingesetzt, um die entzündliche Umgebung rund um Rückenmarksverletzungen bei Mäusen zu hemmen und so die Regeneration von Neuronen und den Wiederaufbau des Nervenschaltkreises zu beschleunigen die Wirbelsäule.

Die Forscher konnten auch den zugrunde liegenden genetischen Mechanismus identifizieren, durch den LDH wirkt. Dieses Verständnis sollte eine weitere Modifikation der Therapie ermöglichen, die in Kombination mit anderen Elementen schließlich ein umfassendes, klinisch anwendbares System zur Linderung von Rückenmarksverletzungen beim Menschen hervorbringen könnte.

Die Forschung erschien am 2. Februar in der Zeitschrift ACS Nano der American Chemical Society.

Es gibt keine wirksame Behandlung für Rückenmarksverletzungen, die immer mit dem Absterben von Neuronen, dem Bruch von Axonen oder Nervenfasern und einer Entzündung einhergehen.

Auch wenn der Körper weiterhin neue neuronale Stammzellen erzeugt, behindert diese entzündliche Mikroumgebung (die unmittelbaren, kleinräumigen Zustände an der Verletzungsstelle) die Regeneration von Neuronen und Axonen erheblich. Schlimmer noch: Die anhaltende Aktivierung von Immunzellen in diesem Bereich führt auch zu sekundären Schädigungen des Nervensystems, wodurch die Stammzellen daran gehindert werden, sich in neue Zelltypen zu differenzieren.

Wenn diese aggressive Immunantwort an der Verletzungsstelle gemildert werden könnte, besteht die Möglichkeit, dass neurale Stammzellen mit der Differenzierung beginnen und eine neurale Regeneration stattfinden könnte.

In den letzten Jahren wurde eine Reihe neuartiger Biomaterialien im Nanomaßstab – natürliche oder synthetische Materialien, die mit biologischen Systemen interagieren – entwickelt, um die Aktivierung neuronaler Stammzellen sowie deren Mobilisierung und Differenzierung zu unterstützen. Einige dieser „Nanokomposite“ sind in der Lage, Medikamente an die Verletzungsstelle zu transportieren und die neuronale Regeneration zu beschleunigen.

Diese Nanokomposite sind aufgrund ihrer geringen Toxizität besonders attraktiv für die Rückenmarksbehandlung. Allerdings verfügen nur wenige über die Fähigkeit, die Immunreaktion an der Stelle zu hemmen oder zu mildern, und können so das zugrunde liegende Problem nicht angehen. Darüber hinaus bleiben die zugrunde liegenden Mechanismen ihrer Funktionsweise unklar.

Nanoschichtiges Doppelhydroxid (LDH) ist eine Art Ton mit vielen interessanten biologischen Eigenschaften, die bei Rückenmarksverletzungen relevant sind, darunter gute Biokompatibilität (Fähigkeit, eine Abstoßung durch den Körper zu vermeiden), sicherer biologischer Abbau (Abbau und Entfernung der Moleküle nach der Anwendung) und ausgezeichnete entzündungshemmende Wirkung.

LDH wurde in der biomedizinischen Technik bereits umfassend im Hinblick auf die Regulierung der Immunantwort erforscht, vor allem jedoch im Bereich der Antitumortherapie.

„Diese Eigenschaften machten LDH zu einem wirklich vielversprechenden Kandidaten für die Schaffung einer viel vorteilhafteren Mikroumgebung für die Genesung von Rückenmarksverletzungen“, sagt Rongrong Zhu von der Abteilung für Orthopädie des Tongji-Krankenhauses, Erstautor der Studie.

Unter der Leitung von Liming Cheng, korrespondierender Autor der Studie, transplantierte das Forschungsteam das LDH in die Verletzungsstelle von Mäusen und stellte fest, dass das Nanobiomaterial die Migration neuronaler Stammzellen, die neuronale Differenzierung, die Aktivierung von Kanälen für die Neuronenerregung und die Induktion erheblich beschleunigt hatte der Aktivierung des Aktionspotentials (Nervenimpuls).

Die Mäuse zeigten im Vergleich zur Kontrollgruppe auch ein deutlich verbessertes Bewegungsverhalten. Wenn LDH außerdem mit Neurotrophin-3 (NT3) kombiniert wurde, einem Protein, das das Wachstum und die Differenzierung neuer Neuronen fördert, erzielten die Mäuse sogar noch bessere Erholungseffekte als LDH allein. Im Wesentlichen fördert NT3 die neuronale Entwicklung, während LDH eine Umgebung schafft, in der diese Entwicklung gedeihen kann.

Anschließend konnten die Forscher mithilfe von Transkriptionsprofilen oder der Analyse der Genexpression von Tausenden von Genen gleichzeitig identifizieren, wie das LDH seine Unterstützung leistet.

Sie fanden heraus, dass LDH, sobald es an Zellmembranen gebunden ist, eine stärkere Aktivierung des Gens „Transforming Growth Factor-β-Rezeptor 2“ (TGFBR2) hervorruft, wodurch die Produktion der weißen Blutkörperchen verringert wird, die die Entzündung verstärken, und die Produktion der weißen Blutkörperchen erhöht wird die Entzündungen hemmen.

Bei der Anwendung einer Chemikalie, die TGFBR2 hemmt, stellten sie fest, dass sich die positiven Wirkungen umkehrten.

Das Verständnis darüber, wie LDH diese Effekte ausübt, sollte es den Forschern nun ermöglichen, die Therapie zu optimieren, um ihre Leistung zu verbessern und schließlich ein umfassendes therapeutisches System für Rückenmarksverletzungen zu schaffen – indem diese Biomaterialien mit neurotrophen Faktoren wie NT3 kombiniert werden –, das in der klinischen Anwendung eingesetzt werden kann auf Menschen.

Quelle

Quelle: https://genesisnanotech.wordpress.com/2021/03/24/nanobiomaterial-boosts-neuronal-growth-in-mice-with-spinal-cord-injuries/