Wetenschappers uit de Northwestern Medicine hebben een moleculair ‘scaffold’ ontwikkeld dat in staat is de elektrische activiteit en groei in neuronen te verbeteren, wat nuttig kan zijn bij de behandeling van ruggenmergletsels, volgens recente resultaten gepubliceerd in ACS Nano .

Volgens het National Spinal Cord Injury Statistical Center worden er elk jaar 17.730 nieuwe dwarslaesies gediagnosticeerd en leven naar schatting 291.000 mensen in de VS met ruggenmergletsels.

Schade aan het centrale zenuwstelsel, inclusief letsel aan het ruggenmerg, resulteert vaak in langdurige disfunctie van het zenuwstelsel, omdat die neuronen een beperkt vermogen hebben om te regenereren. De huidige studie onderzocht nieuwe benaderingen om dat hergroeiproces te verbeteren, volgens Samuel Stupp, Ph.D., de Board of Trustees hoogleraar Materials Science and Engineering, Chemistry, Medicine en Biomedical Engineering, die senior auteur van de studie was. /P>

"Efficiënte therapieën voor regeneratie van het centrale zenuwstelsel zijn momenteel feitelijk niet beschikbaar", zegt Stupp, tevens oprichter en directeur van het Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology (SQI) en het daaraan verbonden onderzoekscentrum, het Center for Regenerative Nanomedicine. "Er zijn enkele ideeën rond het gebruik van stamcellen en geneesmiddelen met kleine moleculen, maar onze aanpak is iets heel anders.

"We hebben vezels op nanoschaal ontwikkeld, gevormd door tienduizenden moleculen, met het vermogen om neuronen en andere cellen te signaleren en opgebouwd uit natuurlijk voorkomende bouwstenen die volkomen veilig zijn om te gebruiken. Door hun ontwerp geleren de in water oplosbare nanovezels onmiddellijk in een scaffold-achtige structuur bij injectie op een weefselplaats waar regeneratie nodig is. Na een paar weken begint de scaffold-sprong regeneratieve processen en valt vervolgens uiteen in voedingsstoffen voor de cellen."

Eerder onderzoek heeft aangetoond dat bepaalde eiwitten op de plaats van een dwarslaesie kunnen worden geïntroduceerd om de genezing te bevorderen, maar de korte halfwaardetijd van de eiwitten verhindert dat ze langdurige resultaten opleveren.

In de studie probeerden onderzoekers een nieuw type nanovezel te ontwikkelen dat de bioactiviteit van het eiwit netrin-1 nabootst en op duurzame wijze signalen aan neuronen zou kunnen afgeven gedurende lange perioden. Het is bekend dat Netrin-1 nieuwe neurale verbindingen en groei bevordert en een belangrijke rol zou kunnen spelen bij het geleiden van axonen (de lange verlengingen van neuronen die elektrische signalen doorgeven) naar hun doelen om het loopvermogen na een dwarslaesie mogelijk te maken.

Ten eerste ontwierpen onderzoeksonderzoekers een peptide-amfifiel, het type molecuul dat in het Stupp-laboratorium wordt gebruikt om bioactieve nanovezels te maken, waaraan een netrin-1 nabootsend circulair peptide was gehecht om te interageren met een specifieke celreceptor. Het netrin-1-mimetische peptide is extreem klein vergeleken met het eiwit en bevat een belangrijke aminozuursequentie die de beoogde celreceptoren activeerde voor de gewenste bioactiviteit, aldus het onderzoek.

Toen onderzoekers de nanovezels in vitro blootstelden aan corticale muisneuronen, constateerden ze een verhoogde elektrische activiteit en meer uitgroei van neurieten – sleutelindicatoren voor zenuwregeneratie. Eiwitanalyse bevestigde dat de nanovezels neuronale netrine-1-receptoren activeerden en het eiwit met succes nabootsten gedurende langere perioden, aldus het onderzoek.

"We zagen dat de amfifiele nanovezel van het netrin-1-mimetische peptide net zo bioactief kon zijn als het netrin-1-eiwit", zegt Cara Smith, Ph.D. kandidaat in het Stupp-laboratorium en eerste auteur van het artikel. "Het was niet alleen in staat de uitgroei van neurieten te bevorderen, maar het was ook in staat de neuronale rijping te beïnvloeden en de ontwikkeling van nieuwe synapsen, of communicatiepunten tussen neuronen, te begeleiden."

Het Stupp-lab heeft al een voorstudie afgerond waarin de genezende eigenschappen van de nanostructuur bij levende dieren worden geëvalueerd, met enkele veelbelovende eerste resultaten, aldus Stupp.

"Deze nanovezel biedt een visie voor zeer krachtige therapieën voor regeneratie in het centrale zenuwstelsel die volkomen veilig zijn in gebruik, bioactief en zeer effectief zijn", aldus Stupp. "Ze kunnen ook veilig biologisch worden afgebroken als ze hun werk hebben gedaan. Dat soort platform bestaat momenteel niet."

Meer informatie: Cara S. Smith et al., Verbeterde neurongroei en elektrische activiteit door een supramoleculaire netrin-1 mimetische nanovezel, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c04572. pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c04572

Journaalinformatie: ACS Nano

Aangeboden door Northwestern University