Lavoro di riparazione nervosa

In un laboratorio dell'Università della Pennsylvania, un piatto di plastica contiene due file di minuscoli punti neri, accoppiati collegati da dozzine di sottili filamenti simili a capelli. Ogni punto è un gruppo di migliaia di neuroni, spiega Douglas Smith, professore di neurochirurgia e direttore del Penn's Center for Brain Injury and Repair. Le fibre che si estendono tra di loro comprendono in realtà migliaia di assoni, proiezioni lunghe e sottili che conducono gli impulsi elettrici lontano dal corpo centrale di ciascun neurone. Questi fasci, ciascuno un nervo progettato in laboratorio, rappresentano ponti fisici che Smith spera aiuteranno ricercatori come lui a riparare lesioni precedentemente irreparabili.

Al Centro per le lesioni cerebrali e la riparazione dell'Università della Pennsylvania, il professore di neurochirurgia Douglas Smith usa la tensione meccanica per accelerare la crescita degli impianti che spera riparino i danni ai nervi.

Quando sezioni di nervi nel corpo vengono recise o schiacciate, muoiono. Sebbene i nervi possano rigenerarsi, lo fanno al ritmo glaciale di circa un millimetro al giorno. E c'è un altro problema: man mano che i nuovi assoni crescono, hanno bisogno della guaina nervosa originale, una membrana protettiva composta da diversi tipi di cellule, per guidarli nell'area che ha perso la funzione. Quella guaina inizia a disintegrarsi dopo circa tre mesi senza un nervo vivo al suo interno. È una corsa contro il tempo, dice Smith. Un nervo reciso, ad esempio, nel polso può coprire la breve distanza dalla mano e guarire in tempo per ripristinare la funzione. Se lo stesso nervo fosse tagliato vicino alla spalla, tuttavia, la persona perderebbe quasi sicuramente l'uso completo di quella mano, poiché la nuova crescita non raggiungerebbe la mano prima che la guaina morisse.

Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2010

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Nemmeno le tecniche sperimentali più avanzate sono state in grado di ripristinare la funzione nervosa in siti lontani da una lesione. Smith pensava di poter facilitare la rapida rigenerazione dei nervi usando i nervi cresciuti in laboratorio come una sorta di impalcatura che i medici potrebbero posizionare dove il nervo di un paziente è morto. Sebbene il nervo impiantato non trasmetterebbe i segnali di per sé, la presenza del tessuto vivente potrebbe guidare il nervo rigenerante del corpo nel sito della lesione mantenendo intatta la guaina del nervo staccato.

Per far crescere i nervi ingegnerizzati abbastanza a lungo da coprire l'area lesa al momento del trapianto, applicò una leggera tensione fisica gradualmente crescente; questo processo, ha scoperto, ha incoraggiato i nervi a crescere quasi 100 volte più velocemente di quanto gli scienziati avevano creduto possibile. E i nervi sono cresciuti non solo più lunghi, ma anche più spessi, apparentemente perché proteine ​​aggiuntive si formano in risposta alla tensione. Smith e il suo team hanno introdotto questi nervi ingegnerizzati nei ratti a cui era stata tagliata parte dei nervi delle gambe. Nel giro di quattro mesi, quando i nervi naturali hanno iniziato a rigenerarsi nei corpi dei ratti, i trapianti hanno aiutato a guidare quei nervi attraverso le voragini, ripristinando con successo la funzione delle zampe dei ratti.

Allungandolo
Per eseguire i trapianti di nervi lunghi, Smith e il suo team raccolgono prima i neuroni sensoriali, le cellule che trasmettono informazioni al cervello, dal midollo spinale dei ratti fetali. Il tecnico di ricerca Kevin Browne pipetta quindi una proteina gelatinosa rosa chiamata collagene su due film adiacenti in una camera appositamente costruita. Delle dimensioni di una scatola da scarpe, ospita un apparato di stiramento costituito da un blocco verticale fissato ad aste metalliche. Una delle piccole pellicole trasparenti, detta membrana di traino, è sospesa a un'estremità dal blocco e curva fino quasi alla base della camera, dove si sovrappone alla seconda membrana. Browne posiziona un gruppo di neuroni nel collagene sulla membrana di traino e un altro sulla membrana inferiore. A questo punto, i due gruppi sono distanti meno di 100 micrometri, due peli di larghezza. Mette l'intera configurazione in un'incubatrice ronzante che funziona a 37 ° C, imitando la temperatura interna di un topo.

Il giorno successivo Browne fa gocciolare una soluzione di enzimi e altre proteine ​​sulle membrane usando una pipetta; la soluzione incoraggia i neuroni a far germogliare gli assoni. Lentamente, un assone di un singolo neurone si estende e forma una connessione sinaptica con un neurone di fronte. Dopo circa cinque giorni, gli assoni si sono collegati in modo sicuro ai neuroni vicini e Browne attacca le aste della camera a un motore controllato dal computer. Il motore tira la membrana di traino lontano dalla membrana inferiore a una velocità variabile che è stata determinata per tentativi ed errori.

Dopo circa tre-cinque giorni di graduale aumento della tensione, il team può iniziare ad allungare gli assoni a una velocità di un centimetro al giorno (circa 100 volte la velocità con cui i nervi in ​​rigenerazione crescono nel corpo), anche se i trapianti più brevi possono essere allungati più lentamente .

Lavoro di riparazione
Dopo circa una settimana di lento allungamento, Browne estrae la scatola di allungamento dall'incubatrice. Usa una pipetta per aggiungere più collagene, che agisce come una colla morbida, sopra le cellule. Quindi arrotola le fibre nervose e i neuroni attaccati dalle pellicole. Con una pinza microscopica, Browne fa cadere il nuovo nervo, ora lungo circa un centimetro, in un tubo simile a una cannuccia che è stato diviso longitudinalmente. Il tubo, costituito da un materiale biodegradabile che si dissolve all'interno del corpo, funge da guaina nervosa sintetica. Browne sutura o incolla saldamente con il nervo all'interno.

Negli esperimenti iniziali progettati per testare la capacità del trapianto di riparare le lesioni nervose, Smith rimuove circa un centimetro del nervo sciatico di un ratto, che scorre attraverso i glutei e lungo la parte posteriore di ciascuna gamba fino alla caviglia e al piede, portando messaggi dal midollo spinale a i vari muscoli delle gambe. Quindi posiziona il tubo nello spazio in cui si trovava il nervo. Usando una pinza, spinge delicatamente un moncone della guaina del nervo sciatico del ratto in ciascuna estremità del tubo e lo sigilla con colla di fibrina. Senza l'impianto in posizione, la parte della guaina nervosa sotto il taglio degenererebbe e il ratto perderebbe il movimento in quella gamba. I nervi cresciuti in laboratorio forniscono un percorso vivente per la rigenerazione, incoraggiando i motoneuroni del ratto a crescere nella giusta direzione e mantenendo in vita la guaina.

Smith afferma che nei test eseguiti su più di 40 ratti, il suo gruppo ha avuto quasi il 100% di successo nel ripristinare la capacità degli animali di camminare. Quando i ricercatori hanno sezionato quei ratti, hanno scoperto che nuovi assoni erano cresciuti dal midollo spinale e si erano intrecciati con i nervi trapiantati. I neuroni all'interno dei tubi avevano anche dato origine a nuovi assoni che si estendevano fuori dal tubo in entrambe le direzioni e si mescolavano ulteriormente con gli assoni rigeneranti dei ratti.

Smith e il suo team pensano che impianti nervosi più lunghi potrebbero aiutare a riparare lesioni più estese; finora, il nervo più lungo che hanno sviluppato è di circa 10 centimetri. Hanno anche dimostrato che il processo di allungamento funziona sui neuroni umani di donatori di organi. Smith spera di iniziare a testare gli impianti di derivazione umana in pazienti con lesioni nervose nei prossimi due anni.

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