Trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã tiêm một mũi duy nhất vào các mô xung quanh tủy sống của những con chuột bị liệt. Chỉ bốn tuần sau, những con vật đã lấy lại khả năng đi lại.
Bằng cách gửi tín hiệu hoạt tính sinh học để kích hoạt các tế bào để sửa chữa và tái tạo, liệu pháp đột phá đã cải thiện đáng kể tủy sống bị thương nặng theo năm cách chính: (1) Các phần mở rộng bị cắt đứt của tế bào thần kinh, được gọi là sợi trục, tái tạo; (2) mô sẹo, có thể tạo ra một rào cản vật lý để tái tạo và sửa chữa, giảm đáng kể; (3) myelin, lớp cách điện của sợi trục rất quan trọng trong việc truyền tín hiệu điện hiệu quả, được cải cách xung quanh các tế bào; (4) các mạch máu chức năng được hình thành để cung cấp chất dinh dưỡng cho các tế bào tại vị trí chấn thương; và (5) nhiều tế bào thần kinh vận động sống sót.
Sau khi điều trị thực hiện chức năng của nó, các vật liệu phân hủy sinh học thành chất dinh dưỡng cho các tế bào trong vòng 12 tuần và sau đó biến mất hoàn toàn khỏi cơ thể mà không có tác dụng phụ đáng chú ý. Đây là nghiên cứu đầu tiên trong đó các nhà nghiên cứu kiểm soát chuyển động tập thể của các phân tử thông qua những thay đổi trong cấu trúc hóa học để tăng hiệu quả của phương pháp điều trị. "Nghiên cứu của chúng tôi nhằm mục đích tìm ra một liệu pháp có thể ngăn chặn các cá nhân bị tê liệt sau chấn thương hoặc bệnh tật lớn", Samuel I. Stupp của Northwestern, người đứng đầu nghiên cứu cho biết.
"Trong nhiều thập kỷ, điều này vẫn là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học vì hệ thống thần kinh trung ương của cơ thể chúng ta, bao gồm não và tủy sống, không có bất kỳ khả năng đáng kể nào để tự sửa chữa sau chấn thương hoặc sau khi khởi phát bệnh thoái hóa. Chúng tôi sẽ đi thẳng đến FDA để bắt đầu quá trình điều trị mới này được chấp thuận để sử dụng ở bệnh nhân người, những người hiện có rất ít lựa chọn điều trị." Stupp là Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Hóa học, Y học và Kỹ thuật Y sinh tại Northwestern, nơi ông là giám đốc sáng lập của Viện Công nghệ Sinh học Simpson Querrey (SQI) và trung tâm nghiên cứu liên kết của nó, Trung tâm Nanomedicine tái tạo.
Ông có các cuộc hẹn tại Trường Kỹ thuật McCormick, Đại học Nghệ thuật và Khoa học Weinberg và Trường Y khoa Feinberg. Tuổi thọ không được cải thiện kể từ những năm 1980.
Theo Trung tâm thống kê chấn thương tủy sống quốc gia, gần 300.000 người hiện đang sống chung với chấn thương tủy sống ở Hoa Kỳ. Cuộc sống của những bệnh nhân này có thể cực kỳ khó khăn. Ít hơn 3% những người bị thương hoàn toàn bao giờ phục hồi các chức năng thể chất cơ bản. Và khoảng 30% phải nhập viện lại ít nhất một lần trong bất kỳ năm nào sau chấn thương ban đầu, chi phí hàng triệu đô la chi phí chăm sóc sức khỏe suốt đời trung bình cho mỗi bệnh nhân. Tuổi thọ của những người bị chấn thương tủy sống thấp hơn đáng kể so với những người không bị chấn thương tủy sống và không được cải thiện kể từ những năm 1980. "Hiện tại, không có phương pháp điều trị nào kích hoạt tái tạo tủy sống", Stupp, một chuyên gia về y học tái tạo cho biết. "Tôi muốn tạo ra sự khác biệt về kết quả chấn thương tủy sống và giải quyết vấn đề này, với tác động to lớn mà nó có thể có đối với cuộc sống của bệnh nhân. Ngoài ra, khoa học mới để giải quyết chấn thương tủy sống có thể có tác động đến các chiến lược cho các bệnh thoái hóa thần kinh và đột quỵ. 'Phân tử nhảy múa' bắn trúng mục tiêu chuyển động.
Bí mật đằng sau liệu pháp đột phá mới của Stupp là điều chỉnh chuyển động của các phân tử, để chúng có thể tìm và tham gia đúng cách các thụ thể tế bào di chuyển liên tục. Được tiêm dưới dạng chất lỏng, liệu pháp ngay lập tức gel vào một mạng lưới sợi nano phức tạp bắt chước ma trận ngoại bào của tủy sống. Bằng cách kết hợp cấu trúc của ma trận, bắt chước chuyển động của các phân tử sinh học và kết hợp các tín hiệu cho các thụ thể, các vật liệu tổng hợp có thể giao tiếp với các tế bào.
"Các thụ thể trong tế bào thần kinh và các tế bào khác liên tục di chuyển xung quanh", Stupp nói. "Sự đổi mới quan trọng trong nghiên cứu của chúng tôi, chưa bao giờ được thực hiện trước đây, là kiểm soát chuyển động tập thể của hơn 100.000 phân tử trong các sợi nano của chúng tôi. Bằng cách làm cho các phân tử di chuyển, 'nhảy múa' hoặc thậm chí nhảy tạm thời ra khỏi các cấu trúc này, được gọi là polyme siêu phân tử, chúng có thể kết nối hiệu quả hơn với các thụ thể.
Stupp và nhóm của ông phát hiện ra rằng tinh chỉnh chuyển động của các phân tử trong mạng lưới sợi nano để làm cho chúng nhanh nhẹn hơn dẫn đến hiệu quả điều trị cao hơn ở những con chuột bị liệt. Họ cũng xác nhận rằng các công thức của liệu pháp của họ với chuyển động phân tử tăng cường hoạt động tốt hơn trong các thử nghiệm trong ống nghiệm với tế bào người, cho thấy tăng hoạt tính sinh học và tín hiệu tế bào.
"Cho rằng bản thân các tế bào và các thụ thể của chúng chuyển động liên tục, bạn có thể tưởng tượng rằng các phân tử di chuyển nhanh hơn sẽ gặp phải các thụ thể này thường xuyên hơn", Stupp nói. "Nếu các phân tử chậm chạp và không phải là 'xã hội', chúng có thể không bao giờ tiếp xúc với các tế bào." Một mũi tiêm, hai tín hiệu.
Sau khi kết nối với các thụ thể, các phân tử chuyển động kích hoạt hai tín hiệu xếp tầng, cả hai đều rất quan trọng đối với việc sửa chữa tủy sống. Một tín hiệu nhắc nhở đuôi dài của các tế bào thần kinh trong tủy sống, được gọi là sợi trục, tái tạo. Tương tự như cáp điện, sợi trục gửi tín hiệu giữa não và phần còn lại của cơ thể. Cắt đứt hoặc làm hỏng trục có thể dẫn đến mất cảm giác trong cơ thể hoặc thậm chí tê liệt. Sửa chữa sợi trục, mặt khác, làm tăng giao tiếp giữa cơ thể và não.
Tín hiệu thứ hai giúp các tế bào thần kinh tồn tại sau chấn thương vì nó làm cho các loại tế bào khác sinh sôi nảy nở, thúc đẩy sự tái sinh của các mạch máu bị mất nuôi tế bào thần kinh và các tế bào quan trọng để sửa chữa mô. Liệu pháp này cũng gây ra myelin để xây dựng lại xung quanh sợi trục và giảm sẹo thần kinh đệm, hoạt động như một rào cản vật lý ngăn cản tủy sống chữa lành.
"Các tín hiệu được sử dụng trong nghiên cứu bắt chước các protein tự nhiên cần thiết để tạo ra các phản ứng sinh học mong muốn. Tuy nhiên, protein có chu kỳ bán rã cực kỳ ngắn và đắt đỏ để sản xuất", Zaida Álvarez, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và cựu trợ lý giáo sư nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Stupp cho biết. "Các tín hiệu tổng hợp của chúng tôi là các peptide ngắn, biến đổi - khi được liên kết với nhau bởi hàng ngàn người - sẽ tồn tại trong nhiều tuần để cung cấp hoạt tính sinh học. Kết quả cuối cùng là một liệu pháp ít tốn kém hơn để sản xuất và kéo dài lâu hơn nhiều." Ứng dụng phổ quát.
Trong khi liệu pháp mới có thể được sử dụng để ngăn ngừa tê liệt sau chấn thương lớn (tai nạn ô tô, té ngã, tai nạn thể thao và vết thương do đạn bắn) cũng như từ các bệnh, Stupp tin rằng khám phá cơ bản - rằng "chuyển động siêu phân tử" là một yếu tố quan trọng trong hoạt động sinh học - có thể được áp dụng cho các liệu pháp và mục tiêu khác.
"Các mô hệ thần kinh trung ương mà chúng tôi đã tái tạo thành công trong tủy sống bị thương tương tự như các mô trong não bị ảnh hưởng bởi đột quỵ và các bệnh thoái hóa thần kinh, chẳng hạn như ALS, bệnh Parkinson và bệnh Alzheimer", Stupp nói. "Ngoài ra, khám phá cơ bản của chúng tôi về việc kiểm soát chuyển động của các cụm phân tử để tăng cường tín hiệu tế bào có thể được áp dụng phổ biến trên các mục tiêu y sinh học."
Reference: Álvarez Z, Kolberg-Edelbrock AN, Sasselli IR, et al. Bioactive scaffolds with enhanced supramolecular motion promote recovery from spinal cord injury. Science. 2021;374(6569):848-856. doi: 10.1126/science.abh3602
November 12, 2021
