Российские ученые разработали биоматериалы на основе белка фиброина шёлка, который способствует восстановлению тканей головного мозга. Это станет новым подходом в нейрорегенеративной терапии.
Одной из главных причин неврологических дисфункций человека является повреждение мозга (в результате черепно-мозговой травмы, после инсульта или при возрастных болезнях Альцгеймера, Хантингтона, Паркинсона). В таком случае происходит нарушение целостности нервной ткани и функциональных связей между нервными клетками.
В этом исследовании специалисты предложили способ трансплантации шелкового фиброинового каркаса при черепно-мозговой травме. Лабораторные тесты показали биосовместимость нового биоматериала в сосудисто-нервной системе на примере клеток крысы. Модификация модели очаговой открытой тяжелой травмы головного мозга, разработанная российским научным коллективом, заключалась в том, что с помощью специального робота (стереотаксической установки) травма наносилась точно в определенные координаты мозга подопытных животных, в зону, отвечающую за управление правыми конечностями. Затем вводились микрочастицы фиброина шелка в область повреждения головного мозга через 1 день после повреждения. Это уменьшало повреждения головного мозга и привело к восстановлению неврологических и двигательных функций. Результаты экспериментальной работы команды учёных обнародованы в рецензируемом научном журнале Neurochemical Research (05.12.2018).
Почему для исследования выбран белок фиброина шёлка, и каким образом проходило изучение эффективности таких фиброиновых каркасов - рассказал Егор Плотников - профессор, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института физико-химической биологии имени А.Н.Белозерского при МГУ имени М.В. Ломоносова. Так, по словам учёного, «фиброин уже довольно давно привлекает внимание как материал для тканевой инженерии, поскольку по сравнению с другими материалами обладает уникальными свойствами. Во-первых, из него очень легко формировать любые трехмерные конструкции, варьируя не только форму матрицы, но и размер пор, и направление волокон. Во-вторых, этот белок несет аминокислотные последовательности, которые помогают клеткам, в том числе нейронам, лучше взаимодействовать с матриксом, обеспечивая сигналы для роста, миграции и дифференцировки».
Профессор Плотников объяснил, как устроен механизм регенерации: «Любые клетки в организме не «висят в воздухе» а находятся внутри сложной трехмерной структуры – каркаса из внеклеточных белков. Восстановление после травмы, в том числе такого органа как мозг, требует, прежде всего, восстановления каркаса. Мозг – очень плохо регенерирующая структура, поэтому чтобы помочь ему восстановиться мы применили уже готовые матриксы - каркасы на основе белка фиброина. Сначала их опробовали на культуре разных клеток мозга нейронов, а затем поместили в место повреждения мозга у экспериментальных животных. Как и у людей, у крыс при черепно-мозговой травме пропадает способность управлять теми мышцами, за которые отвечает данный участок мозга – в данном случае, движением конечностей. По тому, как восстанавливалась способность управлять лапами, мы следили за тем, насколько эффективно идет регенерация мозга. Выяснилось, что при инъекции мелких частиц матрикса в область травмы восстановление неврологических функций идет значительно быстрее».
Как сообщил российский биолог, «эксперименты на клеточных культурах также подтвердили биологическую совместимость фиброина шёлка и нервных клеток. Таким образом, результаты экспериментов на крысах доказали, что фиброиновый скэффолд помогает тканям мозга восстанавливаться от повреждений быстрее и эффективнее».
Уникальность такой разработки восстановления нервной ткани мозга перед другими технологиями заключается как раз, по словам профессора Плотникова, в том что «многие используемые материалы для создания матриксов могут быть токсичными для клеток мозга (если не сами, то продукты их деградации), а многие наоборот практически не рассасываются. Фиброин полностью растворяется и перерабатывается в течение года. За это время ткань успевает восстановиться».
Пояснение к рисунку Структура скаффолдов на основе фиброина, содержащего 30% желатина: A, C – электронная сканирующая микроскопия поверхности и пор скафолдов. B, D – конфокальные миркоскопические изображения структуры скаффолдов, меченных флуоресцентным красителем. A, B – пористый скаффолд, полученный методом замораживания оттаивания. C, D – микрочастицы, полученные методом криоизмельчения пористого скаффолда. Линейка 100 мкм.
Основные экспериментальные исследования велись около 2 лет в лабораториях Московского государственного университета, а матриксы создавали в Национальном медицинском исследовательском центре трансплантологии и искусственных органов. «Мы много лет изучаем подходы для лечения острых повреждений головного мозга – инсультов и травм. Идея использовать для этого матриксы на основе фиброина исходила от коллег, занимающихся их разработкой – коллективов под руководством профессора Агапова Игоря Ивановича и профессора Мойсеновича Михаила Михайловича», - сказал Егор Плотников.
Общее руководство и координацию проекта осуществлял профессор Дмитрий Зоров (Научно-исследовательский институт физико-химической биологии имени А.Н.Белозерского), микроскопическим анализом фиброиновых матриксов и созданием на их основе микрочастиц занималась группа профессора Михаила Мойсеновича (МГУ), а созданием самих матриксов занималась группа профессора Игоря Агапова (Национальный медицинский исследовательский центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова). Все эксперименты на животных проводились кандидатом биологических наук Денисом Силачевым и аспиранткой факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ Татьяной Данилиной под руководством профессора Егора Плотникова (Научно-исследовательский институт физико-химической биологии имени А.Н.Белозерского).
Эксперименты ставили разные задачи и состояли из двух этапов: испытания на клеточных культурах и на животных. «На клеточных культурах мы, прежде всего, проверяли совместимость матрикса с тремя основными типами клеток мозга: нейронами, астроцитами и эндотелием сосудов. На животных - это прямая аналогия черепно-мозговой травмы, с которой сталкиваются, например в НИИ скорой помощи им. Склифосовского, положительный эффект в ней – это возможность перейти к клиническим исследованиям, – пояснил Егор Плотников и далее подчеркнул - Все эксперименты проводятся в соответствии с правилами работы на животных и получают одобрение Биоэтической комиссии НИИ ФХБ».
Итоги наблюдений российских ученых показали, что на основе фиброина сохраняется высокая жизнеспособность клеток и очевиден высокий уровень регенерации нервной ткани.
Оценивая перспективы трансплантации шелкового фиброинового каркаса в медицинской практике, профессор Плотников считает, что «как и любая медицинская технология, данный способ восстановления мозга требует длительных клинических исследований, особенно в связи с тем, что для его применения необходимы нейрохирургические манипуляции на мозге. Я думаю, это потребует не менее 3 лет до введения в медицинскую практику».
[Фото, инфографика Егор Плотников]
