Крепкие нервы. Ученые придумали замену для самых сложных операций

МОСКВА, 13 мар — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Ежегодно сотни тысяч людей страдают от повреждения периферических нервов в результате аварий и спортивных травм. Клетки такого типа растут очень медленно и не всегда полностью восстанавливаются. Результат — онемение конечностей, боль, паралич. В самых сложных случаях ученые предлагают сшивать нервы с помощью полимерных трубочек.

Повреждение кабеля

Периферические нервы, или аксоны — длинные отростки нервных клеток, расположенных в спинном и головном мозге, — служат для передачи электрических импульсов к мышцам. Таким образом происходит управление частями тела. Пучки аксонов, словно электрические кабели, расходятся по всему телу. Если их перерубить, дорога сигналам будет закрыта.

Хирурги сейчас успешно сшивают разорванные нервы, но если концы находятся далеко друг от друга, этот вариант не подходит, потому что нервный пучок будет слишком сильно натянут. В таких случаях прибегают к его реконструкции. Можно взять соседний здоровый нерв и подсоединить его к одному из поврежденных концов, наладив тем самым управление конечностью.

Если реконструкция невозможна, делают трансплантацию: вырезают кусочек нерва из другой части тела или берут донорский материал и вшивают в место разрыва. Это позволяет аксонам успешно регенерировать и восстановить работу конечности.

У обоих хирургических методов есть побочные эффекты: онемение там, откуда взяли нерв, плохая приживаемость, отторжение (если ткань донорская), хронические боли, шрамы нервной ткани. Как этого избежать? Ученые предлагают использовать искусственные нервы из биоразлагаемых биосовместимых материалов.

Компас для отростков

Аксоны защищены тонкой оболочкой из белка миелина. Если отросток порван, эта субстанция выделяет особые вещества для регенерации и направляет рост — по миллиметру в день. Разрыв в один сантиметр преодолеть уже невозможно: самостоятельно определить, в каком направлении расти, аксон не может. В этом случае требуется внешний каркас. Ученые называют его каналом для управления ростом нервной ткани, или nerve guidance conduits. Это полые трубочки из полимеров, насыщенные живыми факторами роста, помогающими отростку быстрее регенерировать.

В мире разработано множество биодеградируемых полимеров, которые разлагаются за несколько часов, дней или недель в зависимости от требований. Полилактид — один из самых перспективных, поскольку он биосовместим, быстро растворяется в организме, а еще он мягкий, похож на живую ткань.

В начале 2000-х ученые из лаборатории Эймса Департамента энергетики США под руководством Сирии Маллапрагада придумали изготавливать из этого полимера ультратонкие пленки буквально в сотни микрон. А чтобы клетки лучше регенерировали, на поверхности прорезали лазером микродорожки, покрыли их белковой оболочкой и посеяли туда шванновские клетки — они помогают росту миелиновой поверхности и восстановлению аксонов.

Ученые предположили, что нервы с помощью такой направляющей будут расти со скоростью три-четыре миллиметра в день. Действительно, опыты сначала в пробирке на клеточных культурах, а позже на крысах с поврежденным седалищным нервом дали положительный результат. Животные могли двигать лапами через три недели, а через шесть были здоровы.

Крысам исправили нервы

В лаборатории Джона Хейкока из Университета Шеффилда (Великобритания) искусственными каналами для роста нервной ткани занимаются уже два десятка лет. Там исследовали материалы, подходящие для этих целей наилучшим способом, и остановились на полилактиде.

Хейкок и его коллеги выращивают ячеистую матрицу двухфотонным способом и размножают ее с помощью лазерной стереолитографии. Затем обрабатывают шванновскими клетками, чтобы создать питательную среду для роста миелиновой оболочки. Эксперименты на культуре человеческих нервных клеток показали, что конструкция биосовместима и нетоксична.

Затем систему проверили на грызунах с поврежденным малоберцовым нервом. Аксоны регенерировали и соединились с дальним концом через 21 день. Теперь ученые еще дальше продвинулись в своей работе. Они доказали на опытах, что полимерный канал помогает восстановить поврежденный нерв так же хорошо, как и живой трансплантат из собственного тела.

Саламандры и макаки показывают пример

Чтобы нервные отростки росли быстрее и лучше, им нужно создать правильную среду. Для этого полимерные трубочки различным образом модифицируют, структурируют и насыщают полезными молекулами. Обычно это белковые факторы роста и разные питательные вещества. А вот ученые из Университета Дьюка (США) предложили использовать макрофаги — иммунные клетки, которые захватывают патогены и переваривают их. На эту мысль специалистов натолкнули саламандры, умеющие выращивать оторванный хвост. Важную роль в этом процессе играют как раз макрофаги.

Сначала исследователи убедились, что макрофаги улучшают регенерацию нервов у крыс, затем наполнили полимерный канал сигнальными молекулами, привлекающими клетки — предшественники макрофагов. Подход оказался перспективным.

© PNAS, 2017

Крысам с поврежденным седалищным нервом вживили полимерную трубочку с макрофагами

Ученые во главе с Кейси Марра из Питтсбургского университета (США) выращивают двуслойные каналы из полимеров. Изнутри они выстланы поликапролактоном с микрокапсулами из полилактида, наполненными глиальным нейротрофическим фактором, ключевым для заживления нейронов. Из-за двойных пористых стенок молекулы из микрокапсул выделяются медленно, что важно для заживления именно периферических нервов, — процесс длится недели и месяцы.

Затем провели опыты с макаками-резусами, у которых был рассечен срединный нерв, управляющий рукой. Одним вживили полимерный канал длиной пять сантиметров с пустыми микрокапсулами, другим — с наполненными фактором роста, третьим исправили повреждение с помощью собственного трансплантата.

© Neil B. Fadia, et al./2020

Искусственный канал для заживления аксона. Внутренний слой содержит микрокапсулы с фактором роста

Исследователи наблюдали за оперированными обезьянами год и установили, что с новыми каналами нервы зажили лучше, чем с теми, куда помещали пустые микрокапсулы. Причем шванновских клеток, регулирующих рост аксонов, было больше, чем при самотрансплантации, а заживление шло так же хорошо.

Однако впечатляющие успехи сотрудников лаборатории, пусть даже в опытах на приматах, еще не означают, что полимерные каналы будут таким же образом работать на людях. Традиционные методы хирургии дают положительные результаты примерно в половине случаев, но зато они надежнее.

© Kacey Marra, Ph.D.

Внутренний слой полимерного канала с микрокапсулами