Przełomowe rusztowanie neuronowe 3D może pomóc pacjentom po urazach rdzenia kręgowego odzyskać niektóre funkcje

Obecnie 28 000 ludzi w Stanach Zjednoczonych cierpi na urazy rdzenia kręgowego, z około 17 000 nowych urazów każdego roku. Udowodniono, że implanty kręgosłupa z nadrukiem 3D pomagają pacjentom w szybszym powrocie do zdrowia, a zespół inżynierów i naukowców medycznych z University of Minnesota (UMN) spędził ostatnie dwa lata na opracowywaniu innowacyjnego urządzenia medycznego z nadrukiem 3D, które może pomóc w długoterminowym pacjenci po urazie rdzenia kręgowego odzyskują pewną funkcję w przyszłości.

"Jest to bardzo ekscytujący pierwszy krok w rozwoju leczenia pomagającego osobom z uszkodzeniami rdzenia kręgowego. Obecnie nie ma dobrych, precyzyjnych metod leczenia u osób z długotrwałymi urazami rdzenia kręgowego "- mówi dr Ann Parr, doktor nauk medycznych UMN w Katedrze Neurochirurgii i Instytutu Komórek Macierzystych.

Metoda ta obejmuje wydrukowaną silikonową prowadnicę 3D, która działa jak rusztowanie dla specjalnych komórek macierzystych, które są drukowane bezpośrednio na wierzchu. Celem jest chirurgiczne wszczepienie prowadnicy w uszkodzoną część rdzenia kręgowego i powinna ona działać jako pomost pomiędzy żywymi komórkami nerwowymi zarówno nad, jak i pod powierzchnią, co może pomóc w złagodzeniu bólu u pacjentów, a także pomóc im uzyskać kontrolę nad funkcjami, takimi jak pęcherz, jelita i kontrola mięśni.

"Stwierdziliśmy, że przekazywanie jakichkolwiek sygnałów przez uraz może poprawić funkcje dla pacjentów. Istnieje przekonanie, że osoby po urazie rdzenia kręgowego będą szczęśliwe tylko wtedy, gdy będą mogły znowu chodzić. W rzeczywistości większość chce prostych rzeczy, takich jak kontrola pęcherza lub możliwość zatrzymania niekontrolowanych ruchów nóg - wyjaśnił Parr. "Te proste ulepszenia funkcji mogą znacznie poprawić ich życie."

Zespół niedawno opublikował artykuł na temat ich potencjalnie zmieniającego życie dzieła, zatytułowanego "3D Protezy neuronowe generowane przez komórki macierzyste generowane przez rdzeń generują rusztowania rdzenia kręgowego," w recenzowanym czasopiśmie naukowym Advanced Functional Materials.

Streszczenie brzmi: "Bioinżynieryjny rdzeń kręgowy jest wytwarzany za pomocą wielomateriałowego biotypu 3D opartego na ekstruzji, w którym powstają skupiska indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) rdzeniowe neuronowe komórki progenitorowe (sNPC) i komórki progenitorowe oligodendrocytów (OPC) są umieszczane w precyzyjnych pozycjach w drukowanych biokompatybilnych rusztowaniach drukowanych w 3D podczas montażu. Lokalizacja skupienia komórek jednego rodzaju lub wielu typów jest kontrolowana za pomocą metody drukowania z punktowym dozowaniem z odległością 200μm od środka do środkaKanały o szerokości 150 μm. Biotiksy sNPC różnicują i rozszerzają aksony w mikroskopijnych kanałach rusztowania, a aktywność tych sieci neuronowych jest potwierdzona fizjologicznymi spontanicznymi badaniami strumienia wapnia. Udany bioprogramowanie OPC w połączeniu z sNPC demonstruje wielokomórkowe podejście do inżynierii tkanek nerwowych, w którym zdolność kierowania wzorcem i kombinacją transplantowanych komórek neuronalnych i glejowych może być korzystna przy odbudowywaniu funkcjonalnych połączeń aksonalnych w obszarach uszkodzenia tkanki ośrodkowego układu nerwowego (OUN) . Platforma ta może być wykorzystana do przygotowania nowatorskich biomimetycznych rusztowań opartych na hydrożelu modelujących złożoną architekturę tkanki CNS in vitro i wykorzystanych do opracowania nowych klinicznych metod leczenia chorób neurologicznych, w tym uszkodzenia rdzenia kręgowego. "

Proces rozpoczyna się od jakiegokolwiek rodzaju dorosłej komórki macierzystej, czy to krwi, czy skóry, a badacze medyczni wykorzystują najnowsze techniki bioinżynieryjne do przeprogramowania ich w neuronalne komórki macierzyste. Komórki te są następnie drukowane w 3D na silikonowej prowadnicy z unikalną technologią opartą na ekstruzji, która może drukować zarówno komórki, jak i przewodnik z tej samej drukarki 3D.

Michael McAlpine, PhD, UMN Benjamin Mayhugh Associate Professor Inżynierii Mechanicznej w Wyższej Szkole Nauk i Inżynierii Uniwersytetu, powiedział: "To jest pierwszy raz, kiedy ktoś był w stanie bezpośrednio drukować neuronalne komórki macierzyste pochodzące z dorosłych komórek ludzkich na przewodniku wydrukowanym w 3D i mieć komórki różnicujące się w aktywny nerw komórki w laboratorium. "

Wydrukowany na 3D silikonowy przewodnik utrzymuje komórki macierzyste przy życiu, dzięki czemu mogą one zmienić się w neurony

" Wszystko zbiegło się we właściwym czasie. Udało nam się wykorzystać najnowsze techniki bioinżynierii komórek opracowane w ciągu ostatnich kilku lat i połączyć je z najnowocześniejszymi technikami druku 3D "- powiedział Parr.

Naukowcy stworzyli prototypowy wszczepialny przewodnik ułatwiający łączenie żywe komórki po każdej stronie uszkodzonego obszaru rdzenia kręgowego, choć zadanie to nie było pozbawione trudności.

"Drukowanie 3D tak delikatnych komórek było bardzo trudne. Najtrudniejszą częścią jest utrzymanie komórek w dobrej kondycji "- wyjaśnił McAlpine. "Przetestowaliśmy kilka różnych przepisów w procesie drukowania. Fakt, że udało nam się utrzymać około 75 procent komórek przy życiu w procesie drukowania 3D, a następnie sprawić, by stały się zdrowymi neuronami jest naprawdę niesamowity. "

Przy odrobinie szczęścia kolejne kroki zespołu proces będziesukces, który powinien zapewnić pewną nadzieję na przyszłość u pacjentów z długoterminowych urazów rdzenia kręgowego.

współautorami artykułu są Daeha Joung Vincent Truong, Colin C. Neitzke, Shuang-Zhuang Guo, Patrick J. Walsh, Joseph R. Monat, Fanben Meng, Sung Hyun Park, James R. Dutton, Parr, a McAlpine.