Nanobiomateriaal stimuleert de neuronale groei bij muizen met ruggenmergletsel

Onderzoekers van de afdeling orthopedie van het Tongji-ziekenhuis aan de Tongji-universiteit in Shanghai hebben met succes een nanobiomateriaal genaamd gelaagde dubbele hydroxide (LDH) gebruikt om de inflammatoire omgeving rond ruggenmergletsels bij muizen te remmen, de regeneratie van neuronen te versnellen en de reconstructie van het neurale circuit in de wervelkolom. De onderzoekers waren ook in staat om het onderliggende genetische mechanisme te identificeren waarmee LDH werkt. Dit inzicht zou een verdere aanpassing van de therapie mogelijk moeten maken die, in combinatie met andere elementen, uiteindelijk een alomvattend, klinisch toepasbaar systeem zou kunnen opleveren voor verlichting van ruggenmergletsel bij mensen.

Het onderzoek verscheen in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano op 2 februari.

Er is geen effectieve behandeling voor ruggenmergletsels, die altijd gepaard gaan met de dood van neuronen, het breken van axonen of zenuwvezels en ontstekingen. Hoewel het lichaam doorgaat met het genereren van nieuwe neurale stamcellen, belemmert deze inflammatoire micro-omgeving (de onmiddellijke, kleinschalige omstandigheden op de plaats van de verwonding) de regeneratie van neuronen en axonen ernstig. Erger nog, de langdurige activering van immuuncellen in dit gebied resulteert ook in secundaire laesies van het zenuwstelsel, waardoor de stamcellen zich niet kunnen differentiëren tot nieuwe celtypen.

Als deze agressieve immuunrespons op de plaats van de verwonding kan worden gematigd, bestaat de mogelijkheid dat neurale stamcellen differentiatie beginnen en neurale regeneratie kan optreden.

In de afgelopen jaren is een reeks nieuwe biomaterialen op nanoschaal – natuurlijke of synthetische materialen die interageren met biologische systemen – ontworpen om de activering van neurale stamcellen te ondersteunen, samen met hun mobilisatie en differentiatie. Sommige van deze “nanocomposieten” zijn in staat medicijnen af ​​te geven op de plaats van de verwonding en neuronale regeneratie te versnellen. Deze nanocomposieten zijn bijzonder aantrekkelijk voor ruggenmergbehandeling vanwege hun lage toxiciteit. Weinigen hebben echter enig vermogen om de immuunreactie ter plaatse te remmen of te matigen, en pakken het onderliggende probleem dus niet aan. Bovendien blijven de onderliggende mechanismen van hoe ze werken onduidelijk.

Nanolaag dubbel hydroxide (LDH) is een kleisoort met veel interessante biologische eigenschappen die relevant zijn voor ruggenmergletsels, waaronder goede biocompatibiliteit (vermogen om afstoting door het lichaam te voorkomen), veilige biologische afbraak (afbraak en verwijdering van de moleculen na aanbrengen), en uitstekende ontstekingsremmend vermogen. LDH is al uitgebreid onderzocht in biomedische engineering met betrekking tot immuunresponsregulatie, maar vooral op het gebied van antitumortherapie.

“Deze eigenschappen maakten LDH tot een veelbelovende kandidaat voor het creëren van een veel gunstigere micro-omgeving voor het herstel van ruggenmergletsel”, zegt Rongrong Zhu van de afdeling Orthopedie van het Tongji-ziekenhuis, eerste auteur van het onderzoek.

Onder leiding van Liming Cheng, corresponderende auteur van de studie, transplanteerde het onderzoeksteam het LDH naar de verwondingsplaats van muizen en ontdekte dat het nanobiomateriaal de migratie van neurale stamcellen, neurale differentiatie, activering van kanalen voor neuronexcitatie aanzienlijk had versneld en inductie van actiepotentiaal (zenuwimpuls) activering. De muizen vertoonden ook significant verbeterd locomotiefgedrag in vergelijking met de controlegroep muizen. Wanneer de LDH werd gecombineerd met Neurotrofine-3 (NT3), een eiwit dat de groei en differentiatie van nieuwe neuronen stimuleert, genoten de muizen bovendien nog betere hersteleffecten dan de LDH alleen. In wezen stimuleert de NT3 de neuronale ontwikkeling, terwijl de LDH een omgeving creëert waarin die ontwikkeling kan gedijen.

Vervolgens konden de onderzoekers via transcriptionele profilering of analyse van genexpressie van duizenden genen tegelijk identificeren hoe de LDH zijn hulp verricht. Ze ontdekten dat als LDH eenmaal aan celmembranen is gehecht, het een grotere activering veroorzaakt van het ’transformerende groeifactor-β receptor 2′-gen (TGFBR2), waardoor de productie van de witte bloedcellen die de ontsteking versterken en de productie van de witte bloedcellen die remmen ontstekingen. Bij toepassing van een chemische stof die TGFBR2 remt, ontdekten ze dat de gunstige effecten waren omgekeerd.

Het begrip van hoe LDH deze effecten uitvoert, zou de onderzoekers nu in staat moeten stellen om de therapie aan te passen om de prestaties te verbeteren en om uiteindelijk een uitgebreid therapeutisch systeem voor ruggenmergletsel te creëren – door deze biomaterialen te combineren met neurotrofe factoren zoals NT3 – die in klinische toepassingen kunnen worden gebruikt op mensen.