Forskare från avdelningen för ortopedi vid Tongji-sjukhuset vid Tongji University i Shanghai har framgångsrikt använt ett nanobiomaterial som kallas skiktad dubbelhydroxid (LDH) för att hämma den inflammatoriska miljön kring ryggmärgsskador hos möss, accelererande regenerering av neuroner och rekonstruktion av nervkretsen i ryggraden. Forskarna kunde också identifiera den underliggande genetiska mekanismen genom vilken LDH fungerar. Denna förståelse bör möjliggöra ytterligare modifiering av terapin som, i kombination med andra element, äntligen kunde producera en heltäckande, kliniskt tillämpbart system för lindring av ryggmärgsskada hos människor.

Forskningen publicerades i tidskriften American Chemical Society ACS Nano den 2 februari.

Det finns ingen effektiv behandling för ryggmärgsskador, som alltid åtföljs av neurons död, brott av axoner eller nervfibrer, och inflammation. Även om kroppen fortsätter att generera nya neurala stamceller, denna inflammatoriska mikromiljö (den omedelbara, småskaliga förhållanden på skadestället) hindrar allvarligt regenerering av neuroner och axoner. Ännu värre, den förlängda aktiveringen av immunceller i detta område resulterar också i sekundära lesioner i nervsystemet, i sin tur hindrar stamcellerna från att differentiera sig till nya celltyper.

Om detta aggressiva immunsvar på skadestället kunde modereras, det finns möjlighet att neurala stamceller kan börja differentieras och neural regenerering kan inträffa.

På senare år har en rad nya biomaterial i nanoskala - naturliga eller syntetiska material som interagerar med biologiska system - har designats för att hjälpa till med aktivering av neurala stamceller, tillsammans med deras mobilisering och differentiering. Vissa av dessa "nanokompositer" kan leverera läkemedel till skadestället och påskynda neuronal regenerering. Dessa nanokompositer är särskilt attraktiva för ryggmärgsbehandling på grund av deras låga toxicitet. Dock, få har någon förmåga att hämma eller dämpa immunreaktionen på platsen, och därför inte ta itu med det underliggande problemet. Dessutom, de underliggande mekanismerna för hur de fungerar är fortfarande oklara.

Nanoskiktad dubbelhydroxid (LDH) är en sorts lera med många intressanta biologiska egenskaper som är relevanta för ryggmärgsskador, inklusive god biokompatibilitet (förmåga att undvika avstötning av kroppen), säker biologisk nedbrytning (nedbrytning och avlägsnande av molekylerna efter applicering), och utmärkt antiinflammatorisk förmåga. LDH har redan undersökts brett inom biomedicinsk teknik med avseende på reglering av immunsvar, men främst inom området antitumörterapi.

"Dessa egenskaper gjorde LDH till en riktigt lovande kandidat för att skapa en mycket mer fördelaktig mikromiljö för återhämtning av ryggmärgsskada, " säger Rongrong Zhu på avdelningen för ortopedi på Tongji Hospital, första författare till studien.

Under ledning av Liming Cheng, motsvarande författare till studien, forskargruppen transplanterade LDH till skadestället på möss, och fann att nanobiomaterialet hade signifikant accelererat migrationen av neurala stamceller, neural differentiering, aktivering av kanaler för neuronexcitation, och induktion av aktivering av aktionspotential (nervimpuls). Mössen uppvisade också signifikant förbättrat lokomotivbeteende jämfört med kontrollgruppen av möss. Dessutom, när LDH kombinerades med neurotrofin-3 (NT3), ett protein som uppmuntrar tillväxt och differentiering av nya neuroner, mössen hade ännu bättre återhämtningseffekter än LDH på egen hand. I huvudsak, NT3 ökar neuronal utveckling medan LDH skapar en miljö där den utvecklingen tillåts frodas.

Sedan, via transkriptionsprofilering, eller analys av genuttryck av tusentals gener samtidigt, forskarna kunde identifiera hur LDH utför sin assistans. De fann att när LDH är fäst vid cellmembran, det framkallar större aktivering av genen "transforming growth factor-β-receptor 2" (TGFBR2), minskad produktion av vita blodkroppar som förstärker inflammation och ökad produktion av vita blodkroppar som hämmar inflammation. Vid applicering av en kemikalie som hämmar TGFBR2, de fann att de fördelaktiga effekterna var omvända.

Förståelsen av hur LDH utför dessa effekter bör nu göra det möjligt för forskarna att justera terapin för att förbättra dess prestanda och för att slutligen skapa ett omfattande terapeutiskt system för ryggmärgsskador - kombinera dessa biomaterial med neurotrofiska faktorer som NT3 - som kan användas i klinisk tillämpning på människor.