Cercetătorii de la Universitatea Northwestern au dezvoltat o nouă terapie injectabilă care utilizează „moleculele dansatoare” pentru a inversa paralizia și a repara țesuturile după leziuni grave ale măduvei spinării.
În cadrul unui nou studiu, cercetătorii au administrat o singură injecție în țesuturile din jurul măduvei spinării șoarecilor paralizați. După doar patru săptămâni, animalele și-au recăpătat capacitatea de a merge.
Cercetarea va fi publicată în revista Science.
Trimițând semnale bioactive pentru a declanșa celulele să se repare și să se regenereze, terapia revoluționară a îmbunătățit dramatic măduva spinării grav rănită în cinci moduri cheie: 1. prelungirile secționate ale neuronilor, numite axoni, s-au regenerat; 2. țesutul cicatricial, care poate crea o barieră fizică în calea regenerării și reparării, s-a diminuat semnificativ; 3. mielina, stratul izolator al axonilor care este important pentru transmiterea eficientă a semnalelor electrice, s-a reformat în jurul celulelor; 4. s-au format vase de sânge funcționale pentru a furniza nutrienți celulelor de la locul leziunii; și 5. au supraviețuit mai mulți neuroni motori.
După ce terapia își îndeplinește funcția, materialele se biodegradează în nutrienți pentru celule în decurs de 12 săptămâni și apoi dispar complet din organism fără efecte secundare vizibile. Acesta este primul studiu în care cercetătorii au controlat mișcarea colectivă a moleculelor prin modificări ale structurii chimice pentru a crește eficacitatea unei terapii.
„Cercetările noastre au ca scop găsirea unei terapii care să împiedice persoanele să devină paralizate după o traumă majoră sau o boală”, a declarat Samuel I. Stupp de la Northwestern, care a condus studiul. „Timp de zeci de ani, aceasta a rămas o provocare majoră pentru oamenii de știință, deoarece sistemul nervos central al organismului nostru, care include creierul și măduva spinării, nu are o capacitate semnificativă de a se repara după o leziune sau după apariția unei boli degenerative. Vom merge direct la FDA pentru a începe procesul de aprobare a acestei noi terapii pentru a fi utilizată la pacienții umani, care în prezent au foarte puține opțiuni de tratament.”
Stupp este profesor în cadrul Board of Trustees de știința și ingineria materialelor, chimie, medicină și inginerie biomedicală la Northwestern, unde este directorul fondator al Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology (SQI) și al centrului de cercetare afiliat acestuia, Center for Regenerative Nanomedicine. El are numiri în cadrul Școlii de Inginerie McCormick, al Colegiului Weinberg de Arte și Științe și al Școlii de Medicină Feinberg.
Speranța de viață nu s-a îmbunătățit din anii ’80 încoace
Potrivit Centrului Național de Statistică pentru Leziuni ale Măduvei Spinării, aproape 300.000 de persoane trăiesc în prezent cu o leziune a măduvei spinării în Statele Unite. Viața pentru acești pacienți poate fi extraordinar de dificilă. Mai puțin de 3% dintre persoanele cu leziuni complete își recuperează funcțiile fizice de bază. Și aproximativ 30% sunt spitalizați din nou cel puțin o dată pe parcursul unui an după leziunea inițială, ceea ce înseamnă milioane de dolari în costuri medii de îngrijire a sănătății pe viață pentru fiecare pacient. Speranța de viață a persoanelor cu leziuni ale măduvei spinării este semnificativ mai mică decât cea a persoanelor fără leziuni ale măduvei spinării și nu s-a îmbunătățit din anii 1980.
„În prezent, nu există niciun tratament care să declanșeze regenerarea măduvei spinării”, a declarat Stupp, expert în medicina regenerativă. „Am vrut să fac o diferență în ceea ce privește rezultatele leziunilor măduvei spinării și să abordez această problemă, având în vedere impactul extraordinar pe care l-ar putea avea asupra vieții pacienților. De asemenea, noua știință pentru a aborda leziunile măduvei spinării ar putea avea impact asupra strategiilor pentru bolile neurodegenerative și accidentele vasculare cerebrale.”
„Moleculele dansatoare” ating ținte în mișcare
Secretul din spatele noii descoperiri terapeutice a lui Stupp constă în reglarea mișcării moleculelor, astfel încât acestea să poată găsi și să angajeze în mod corespunzător receptorii celulari în continuă mișcare. Injectată sub formă de lichid, terapia se gelifică imediat într-o rețea complexă de nanofibre care imită matricea extracelulară a măduvei spinării. Potrivindu-se structurii matricei, imitând mișcarea moleculelor biologice și încorporând semnale pentru receptori, materialele sintetice sunt capabile să comunice cu celulele.
„Receptorii din neuroni și alte celule se deplasează în mod constant”, a spus Stupp. „Inovația cheie în cercetarea noastră, care nu a mai fost făcută niciodată până acum, este de a controla mișcarea colectivă a peste 100.000 de molecule în interiorul nanofibrelor noastre. Făcând ca moleculele să se miște, să ‘danseze’ sau chiar să sară temporar din aceste structuri, cunoscute sub numele de polimeri supramoleculari, ele sunt capabile să se conecteze mai eficient cu receptorii.”
Stupp și echipa sa au descoperit că reglarea fină a mișcării moleculelor în cadrul rețelei de nanofibre pentru a le face mai agile a dus la o mai mare eficacitate terapeutică la șoarecii paralizați. De asemenea, ei au confirmat că formulările terapiei lor cu mișcare moleculară îmbunătățită au avut performanțe mai bune în timpul testelor in vitro cu celule umane, indicând o bioactivitate și o semnalizare celulară sporită.
„Având în vedere că celulele însele și receptorii lor sunt în continuă mișcare, vă puteți imagina că moleculele care se mișcă mai rapid ar întâlni mai des acești receptori”, a declarat Stupp. „Dacă moleculele sunt leneșe și nu sunt la fel de ‘sociale’, este posibil ca ele să nu intre niciodată în contact cu celulele.”
O singură injecție, două semnale
Odată conectate la receptori, moleculele în mișcare declanșează două semnale în cascadă, ambele fiind esențiale pentru repararea măduvei spinării. Un semnal determină cozile lungi ale neuronilor din măduva spinării, numite axoni, să se regenereze.
Asemănători cablurilor electrice, axonii trimit semnale între creier și restul corpului. Secționarea sau deteriorarea axonilor poate duce la pierderea sensibilității corpului sau chiar la paralizie. Repararea axonilor, pe de altă parte, crește comunicarea dintre corp și creier.
Cel de-al doilea semnal ajută neuronii să supraviețuiască după o leziune, deoarece determină alte tipuri de celule să prolifereze, favorizând regenerarea vaselor de sânge pierdute care alimentează neuronii și a celulelor critice pentru repararea țesuturilor. De asemenea, terapia induce mielina să se reconstruiască în jurul axonilor și reduce cicatrizarea glială, care acționează ca o barieră fizică ce împiedică vindecarea măduvei spinării.
„Semnalele utilizate în cadrul studiului imită proteinele naturale care sunt necesare pentru a induce răspunsurile biologice dorite. Cu toate acestea, proteinele au timpi de înjumătățire extrem de scurți și sunt costisitoare pentru a fi produse”, a declarat Zaida Álvarez, primul autor al studiului și fost profesor asistent de cercetare în laboratorul lui Stupp. „Semnalele noastre sintetice sunt prin peptide scurte și modificate care – atunci când sunt lipite între ele cu miile – vor supraviețui săptămâni întregi pentru a oferi bioactivitate. Rezultatul final este o terapie care este mai puțin costisitoare de produs și care durează mult mai mult timp.”
Aplicație universală a acestei terapii
În timp ce noua terapie ar putea fi folosită pentru a preveni paralizia după traumatisme majore (accidente de mașină, căderi, accidente sportive și răni prin împușcare), precum și în cazul bolilor, Stupp crede că descoperirea care stă la baza acestei terapii – faptul că „mișcarea supramoleculară” este un factor cheie în bioactivitate – poate fi aplicată și altor terapii și ținte.
„Țesuturile sistemului nervos central pe care am reușit să le regenerăm cu succes în măduva spinării rănite sunt similare cu cele din creierul afectat de accident vascular cerebral și de boli neurodegenerative, cum ar fi SLA, boala Parkinson și boala Alzheimer”, a declarat Stupp. „Dincolo de aceasta, descoperirea noastră fundamentală despre controlul mișcării ansamblurilor moleculare pentru a spori semnalizarea celulară ar putea fi aplicată universal în toate țintele biomedicale”.