Forskare från Northwestern Medicine har utvecklat en molekylär "ställning" som kan förbättra elektrisk aktivitet och tillväxt i neuroner, vilket kan visa sig användbart vid behandling av ryggmärgsskador, enligt nyligen publicerade resultat i ACS Nano .
Enligt National Spinal Cord Injury Statistical Center diagnostiseras 17 730 nya ryggmärgsskador varje år och uppskattningsvis 291 000 människor lever med ryggmärgsskador i USA.
Skador på det centrala nervsystemet, inklusive ryggmärgsskador, resulterar ofta i långvarig dysfunktion i nervsystemet, eftersom dessa nervceller har begränsad förmåga att regenerera. Den aktuella studien undersökte nya metoder för att förbättra denna återväxtprocess, enligt Samuel Stupp, Ph.D., styrelsens professor i materialvetenskap och teknik, kemi, medicin och biomedicinsk teknik, som var senior författare till studien.
"Effektiva terapier för regenerering i centrala nervsystemet är i princip inte tillgängliga för tillfället", säger Stupp, som också är grundare av Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology (SQI) och dess anslutna forskningscenter, Center for Regenerative Nanomedicine. "Det finns några idéer kring att använda stamceller och småmolekylära läkemedel, men vårt tillvägagångssätt är något helt annat.
"Vi har utvecklat fibrer i nanoskala, bildade av tiotusentals molekyler, med kapacitet att signalera neuroner och andra celler och byggda av naturligt förekommande byggstenar som är helt säkra att använda. Genom designen, gelar de vattenlösliga nanofibrerna omedelbart till en ställningsliknande struktur vid injektion på ett vävnadsställe där regenerering behövs. Efter några veckor startar ställningshoppet regenerativa processer och sönderfaller sedan till näringsämnen för cellerna."
Tidigare forskning har visat att vissa proteiner kan introduceras på ett ryggmärgsskada för att främja läkning, men proteinernas korta halveringstider hindrar dem från att ge långvariga resultat.
I studien försökte forskare utveckla en ny typ av nanofiber som efterliknar bioaktiviteten hos proteinet netrin-1 och som på ett hållbart sätt kan leverera signaler till neuroner under långa tidsperioder. Netrin-1 är känt för att främja nya neurala kopplingar och tillväxt och kan vara avgörande för att styra axoner – de långa förlängningarna av neuroner som överför elektriska signaler – till sina mål för att möjliggöra gångförmåga efter ryggmärgsskada.
Först designade studieutredarna en peptidamfifil, den typ av molekyl som används i Stupp-laboratoriet för att skapa bioaktiva nanofibrer, som hade en netrin-1-mimetisk cirkulär peptid fäst för att interagera med en specifik cellreceptor. Den netrin-1 mimetiska peptiden är extremt liten jämfört med proteinet och innehåller en nyckelaminosyrasekvens som aktiverade målcellsreceptorerna för den önskade bioaktiviteten, enligt studien.
När forskare exponerade nanofibrerna för kortikala musneuroner in vitro, observerade de ökad elektrisk aktivitet och mer utväxt av neuriter - nyckelindikatorer för nervregenerering. Proteinanalys bekräftade att nanofibrerna aktiverade neuronala netrin-1-receptorer och framgångsrikt efterliknade proteinet under längre tidsperioder, enligt studien.
"Vi såg att den netrin-1-mimetiska peptiden amfifil nanofibern kunde vara lika bioaktiv som netrin-1-proteinet", säger Cara Smith, en biomedicinsk ingenjörsdoktor. kandidat i Stupp-laboratoriet och första författare till uppsatsen. "Det kunde inte bara förbättra neuritutväxt, utan det kunde också påverka neuronal mognad och styra utvecklingen av nya synapser eller kommunikationspunkter mellan neuroner."
Stupp-labbet har redan slutfört en preliminär studie som utvärderar nanostrukturens helande förmåga hos levande djur, med några lovande tidiga resultat, sa Stupp.
"Denna nanofiber erbjuder en vision för mycket potenta terapier för regenerering i centrala nervsystemet som är helt säkra att använda, är bioaktiva och mycket effektiva," sa Stupp. "De kan också bionedbrytas säkert när de väl har gjort sitt jobb. Den sortens plattform finns inte just nu."
Mer information: 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
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av Northwestern University
