Такой простой жест, как улыбка, часто может передать то, чего не могут передать слова. Это одна из причин, почему невербальное общение так важно для человеческого взаимодействия. Именно поэтому заболевания и травмы лицевого нерва могут иметь разрушительные последствия.

Эти состояния обычно лечат с помощью нервной ткани, взятой из других частей тела пациента, известной как аутотрансплантаты. Этот метод восстановления поврежденных нервов создает проблемы для пациентов, такие как повреждение донорского участка и вероятность функционального восстановления почти как подбрасывание монеты. Синтетические альтернативы изучались в прошлом, но еще не достигли эффективности аутотрансплантатов.

Биоинженеры Питтсбургского университета, возможно, с помощью лучших инженеров природы разработали новое решение — стволовые клетки. Используя способность этих клеток создавать восстанавливающую среду, команда создала имплантируемые каналы, которые действуют как мосты, обеспечивая направленное, механическое и биохимическое руководство поврежденными нервами для регенерации через большие промежутки. Эксперименты на лицевых нервах крыс показали, что технология соответствует аутотрансплантатам. Эти результаты были опубликованы в Журнале нейронной инженерии.

«Мы склонялись к идее, что клетки знают, что они делают, и знают, как создавать ткани», — сказала профессор кафедры оральных и черепно-лицевых наук и биоинженерии Фатима Сайед-Пикард, доктор философии, старший автор исследования. «Эти инженерные ткани оказались более биомиметическими, чем многие другие синтетические каркасы, используемые в тканевой инженерии».

Приведение нейронов в порядок

Для восстановления нервов длинные отростки, отходящие от нейронов, называемые аксонами, должны вырасти заново и снова соединиться с соответствующей тканью. При использовании аутотрансплантатов первое происходит медленно, а второе не дает никаких гарантий, поскольку многие пациенты испытывают нежелательную мышечную активность из-за перерастания нервов, соединяющихся с неправильной тканью.

Исследователи использовали определенные популяции клеток для ускорения роста, такие как клетки нервной поддержки и стволовые клетки, которые производят биомолекулы, способствующие регенерации нервной ткани. Чтобы сориентировать растущую ткань так, чтобы аксоны достигали нужных целей, исследователи разработали синтетические тканевые каркасы с такими особенностями, как бороздки, которые действуют как направляющие для регенерирующих нейронов.

«Трудно внедрить и равномерно распределить клетки в синтетических каркасах, не причинив им вреда. Другая проблема заключается в том, чтобы попытаться заставить эти каркасы соответствовать структурной сложности врожденной ткани», — сказала первый автор Мишель Дрюри, доктор философии, которая проводила это исследование, будучи аспирантом * в Университете Питтсбурга.

Многие типы клеток в организме часто создают или реконструируют окружающий их биомолекулярный каркас, известный как внеклеточный матрикс (ECM). Поэтому вместо того, чтобы самим создавать тканевые каркасы с нуля, исследователи подумали, что, возможно, лучше позволить клеткам создавать свои собственные. Авторы исследования проверили эту гипотезу на стволовых клетках пульпы зуба (DPSC), выносливой и легкодоступной популяции клеток, которая вырабатывает белки, которые, как известно, способствуют росту нервов. После извлечения этих клеток из зубов мудрости взрослых, предоставленных Школой стоматологической медицины Университета Питтсбурга, исследователи применили их в работе.

Они хотели дать DPSC свободу создавать ECM, но в то же время подтолкнуть их к созданию среды, способствующей поддержке согласованных аксонов. Для этого исследователи изготовили резиновые формы с рядами канавок шириной 10 микрометров, а затем покрыли их DPSC. Через несколько дней DPSC секретировали вокруг себя выровненный ЕСМ, образуя тонкие биологические листы. Затем авторы отделили листы от резиновых шаблонов и свернули их в цилиндрические каналы.

В предыдущем исследовании исследователи использовали этот подход для изготовления повязки, которая успешно регенерировала аксоны раздавленного нерва. С помощью своей новой работы они стремились устранить более серьезное препятствие, связанное с использованием канала для преодоления 5-миллиметрового разрыва в лицевом нерве крыс — дефекта настолько большого, что нерв не сможет зажить самостоятельно.

В частности, они имплантировали выровненные кондуиты в щели, образовавшиеся в щечной ветви лицевого нерва. Для сравнения команда также имплантировала аутотрансплантаты другой группе крыс.

«Щёчная ветвь — это часть лицевого нерва, которая помогает улыбаться. Это важная часть качества вашей жизни, потому что это большая часть того, как вы общаетесь с другими людьми и как вас видят в мире. Травма этого нерва может изменить жизнь», — сказал Дрюри.

Переход через мост

Через двенадцать недель после имплантации авторы оценили, насколько хорошо регенерировали аксоны, в первую очередь с помощью гистологии. Они обнаружили, что их клеточные каналы содержат регенерированные аксоны по всей длине. И в целом плотность и количество аксонов были аналогичны тем, что они обнаружили в аутотрансплантатах.

В кондуитах преобладали индикаторы развивающихся аксонов, что позволяет предположить, что регенерация могла быть более устойчивой с дополнительным временем, отметил Дрюри.

Но привела ли вся эта регенерированная ткань к улучшению функций? Чтобы выяснить это, авторы электрически стимулировали нервы на одном конце и измерили движение усов животных на другом конце. Испытания показали, что движения крыс, которым имплантировали кондуиты, были на одном уровне с движениями крыс, получивших аутотрансплантаты.

Лаборатория Сайеда-Пикара стремится лучше понять роль ЕСМ и клеток в заживлении, а затем использовать эту информацию для улучшения своих технологий. Например, помимо непосредственного стимулирования возобновления роста, каналы могут также помогать, ослабляя воспаление, объяснил Сайед-Пикар.

Работа Дрюри над этим исследованием финансировалась в рамках учебной программы «Клеточные подходы к тканевой инженерии и регенерации» (CATER) в Университете Питтсбурга, которая поддерживается грантом NIBIB T32EB001026.

«Это исследование показывает, как наши программы обучения закладывают прочную основу для докторантов. Стажеры этой конкретной программы впоследствии получили 58 грантов НИЗ, включая стипендии, карьерные награды и исследовательские гранты», — сказал Зейнеп Эрим, доктор философии, директор отдела междисциплинарного обучения в Национальном институте биомедицинской визуализации и биоинженерии. (НИБИБ).

Исследование также было поддержано Национальным институтом стоматологических и черепно-лицевых исследований (NIDCR; R56DE030881).

В этом научном изложении описываются результаты фундаментального исследования. Фундаментальные исследования расширяют наше понимание человеческого поведения и биологии, что является основой для разработки новых и лучших способов профилактики, диагностики и лечения заболеваний. Наука — это непредсказуемый и постепенный процесс: каждое научное достижение основывается на прошлых открытиях, часто неожиданным образом. Большинство клинических достижений были бы невозможны без знаний фундаментальных фундаментальных исследований.

*В настоящее время Дрюри является младшим сотрудником программы Национальной академии наук, техники и медицины (NASEM). Ее комментарии в этой статье отражают ее личные взгляды, а не точку зрения NASEM.

О графике: эти два изображения первоначально появились в статье журнала Journal of Neural Engineering и доступны по лицензии Creative Commons. Изображения адаптированы для сайта NIBIB.

Ссылка на исследование: Мишель Дрюри и др. Усиление регенерации лицевого нерва с помощью кондуитов без каркасов, созданных с использованием стволовых клеток пульпы зуба и их эндогенного, выровненного внеклеточного матрикса. Журнал нейронной инженерии (2024 г.) https://doi.org/10.1088/1741-2552/ad749d