Interneuroni spinali inginerizați oferă speranțe pentru repararea leziunilor măduvei spinării
Leziunile măduvei spinării afectează aproximativ 15 până la 20 de milioane de oameni la nivel mondial, cauzând adesea deficiențe durabile în mișcare, senzație și independență.
Asemenea leziuni pot fi deosebit de devastatoare atunci când apar la nivelul gâtului, unde circuitele neuronale deteriorate întrerup semnalele ce controlează diafragma, mușchiul principal utilizat pentru respirație.
În ciuda progreselor în îngrijirea de urgență și reabilitare, nu există terapii aprobate care să refacă neuronii și conexiunile pierdute în urma unei leziuni a măduvei spinării. Însă, o nouă cercetare realizată de oamenii de știință de la Gladstone Institutes oferă speranțe pentru un tratament regenerativ în viitor.
Studiul, publicat în Science Translational Medicine, arată că interneuronii spinali derivați din celule stem umane, celule esențiale pentru respirație și mișcare, pot supraviețui după transplantarea în șobolani cu leziuni, se conectează cu circuitele neuronale proprii ale animalelor și îmbunătățesc funcția motorie legată de respirație.
„Leziunile măduvei spinării au fost considerate întotdeauna dificil de reparat deoarece corpul nu reconstruiește în mod natural conexiunile neuronale care sunt pierdute”, afirmă Lana Zholudeva, PhD, un investigator de la Gladstone și primul autor al noului studiu. „Acest studiu demonstrează că un tip specific de interneuron spinal uman poate fi inginerizat din celule stem și transplantat într-o măduvă spinală afectată, unde celulele nu doar supraviețuiesc, ci formează noi căi pentru a repara rețelele deteriorate.”
Interneuronii spinali reprezintă multe tipuri diferite de neuroni interconectați. Zholudeva și echipa sa s-au concentrat pe un subtip numit „interneuroni V2a”, care sunt celule de legătură implicate în controlul mișcărilor.
Lucrări anterioare realizate de echipa lui Zholudeva și de alții din întreaga lume au descoperit că aceste celule sunt implicate în recuperarea după leziunile traumatice ale măduvei spinării, inclusiv în circuitele implicate în respirație și mers.
Pentru a testa dacă transplantarea de noi interneuroni V2a ar putea ajuta la vindecarea măduvei spinării după o leziune, echipa lui Zholudeva a dezvoltat metode de a crea aceste celule în laborator, bazându-se pe aproape un deceniu de muncă pentru a genera interneuroni spinali derivați din celule stem pentru repararea măduvei spinării.
Această abordare a început prin colaborări între Zholudeva, Michael Lane, PhD, Shelly Sakiyama-Elbert, PhD, și fostul cercetător de la Gladstone, Todd McDevitt, PhD, inițial folosind celule stem embrionare de șoarece pentru a genera populații definite de neuroni spinali. Ulterior, metoda s-a dezvoltat către terapii clinice relevante din celule stem pluripotente induse umane.
La Gladstone, Zholudeva și colegii săi au rafinat aceste metode pentru a crea interneuroni V2a umani transplantabili, optimizați pentru repararea circuitelor neuronale afectate.
„A durat aproximativ un an și jumătate de încercări și erori pentru a obține rețeta corectă pentru a face acest neuron particular din celule stem, dar a meritat cu adevărat”, afirmă Deepak Srivastava, MD, autor senior al noului studiu.
Cercetătorii s-au asigurat, de asemenea, că celulele finale puteau fi congelate în fiole și apoi decongelate pentru utilizare, un factor cheie care ar putea permite, în cele din urmă, ca terapia celulară să fie utilizabilă într-un trial clinic uman.
Zholudeva și colegii ei au transplantat interneuroni spinali umani în șobolani adulți la o săptămână după o leziune a măduvei spinării cervicale. Leziunile din această zonă a gâtului sunt printre cele mai comune forme de leziune a măduvei spinării la oameni și adesea afectează circuitele neuronale care controlează respirația.
„Respirația este evolutiv conservată în multe specii, fiind foarte bine definită din punct de vedere anatomic și funcțional și relevantă pentru persoanele care trăiesc cu leziuni severe ale măduvei spinării”, spune Zholudeva. „A fost circuitul ideal pentru a evalua potențialul terapeutic al abordării noastre de transplantare.”
Două luni după transplantare, noile celule nu doar că au supraviețuit în mediu ostil al locului leziunii, dar au format conexiuni cu celulele din apropiere din măduva spinării. Când cercetătorii au activat locul transplantului, au observat o activitate crescută în diafragmă. Separat, au activat neuronii proprii ai șobolanilor din trunchiul cerebral, care se întind de la creier la măduva spinării, și au descoperit că celulele transplantate s-au activat în răspuns.
În condiții normale, diferența în respirația animalelor a fost subtilă. Totuși, când animalele au fost supuse unor condiții de oxigen scăzut sau dioxid de carbon crescut—condiții care forțează diafragma să lucreze mai mult—majoritatea șobolanilor cu leziuni, netratați, au prezentat semne de insuficiență respiratorie. În schimb, trei sferturi dintre șobolanii care au primit noi interneuroni V2a au trecut cu succes provocările fără dificultate.
„Aceasta este diferența dintre o persoană rănită care răcește și ajunge pe un ventilator, versus cineva cu suficientă funcție pentru a face față acelei provocări”, afirmă Zholudeva. „Celulele transplantate par să ofere această capacitate suplimentară.”
În cadrul studiului, echipa de cercetare a început să examineze de ce unele transplanturi au avut mai mult succes decât altele, identificând un subset specific de interneuroni V2a transplantați care păreau a fi mai predispuși să se conecteze cu circuitul de respirație al gazdei și, prin urmare, importanți pentru recuperare. Aceștia intenționează să continue să investigheze acea descoperire și să studieze cum să creeze celulele cele mai necesare pentru reparare.
Până ca terapia celulară să poată fi testată la oameni, echipa va trebui să demonstreze că este eficientă pe animale mai mari și să testeze dacă poate funcționa la fel de bine în măduva spinării afectate la luni sau ani după leziune, nu doar în primele zile după o leziune.
Oamenii de știință lucrează, de asemenea, pentru a extinde abordarea dincolo de respirație la circuitele care controlează funcția brațelor și mâinilor, pe care persoanele cu leziuni cervicale ale măduvei spinării le identifică adesea ca fiind prioritatea lor principală pentru recuperare. Această muncă reprezintă cea mai recentă realizare într-un efort pe termen lung de a aduce terapiile cu interneuroni spinali din modelele timpurii cu celule stem către o traducere în uman.
„Am demonstrat un principiu de bază că acest lucru poate funcționa, că poți ingineriza un tip definit de celulă, transplantat și să ai efectiv repararea unui circuit specific”, afirmă Zholudeva. „Acum trebuie să facem să funcționeze mai consistent, în mai multe circuite și, în cele din urmă, la oameni.”
