Nerveuze reparatie baan

In een laboratorium aan de Universiteit van Pennsylvania bevat een plastic schaal twee rijen kleine zwarte stippen, paren verbonden door tientallen dunne, haarachtige filamenten. Elke stip is een cluster van duizenden neuronen, legt Douglas Smith uit, hoogleraar neurochirurgie en directeur van Penn's Center for Brain Injury and Repair. De vezels die zich daartussen uitstrekken, bestaan ​​in feite uit duizenden axonen, lange, slanke uitsteeksels die elektrische impulsen wegleiden van het centrale lichaam van elk neuron. Deze bundels - elk een in het laboratorium ontworpen zenuw - vertegenwoordigen fysieke bruggen waarvan Smith hoopt dat ze onderzoekers zoals hij zullen helpen bij het herstellen van voorheen onherstelbare verwondingen.

Aan het University of Pennsylvania Center for Brain Injury and Repair gebruikt professor neurochirurgie Douglas Smith mechanische spanning om de groei van implantaten te versnellen waarvan hij hoopt dat ze zenuwbeschadiging zullen herstellen.

Wanneer delen van zenuwen in het lichaam worden doorgesneden of verpletterd, sterven ze. Hoewel de zenuwen kunnen regenereren, doen ze dit in het ijstempo van ongeveer één millimeter per dag. En er is nog een addertje onder het gras: als nieuwe axonen groeien, hebben ze de oorspronkelijke zenuwomhulling nodig - een beschermend membraan dat bestaat uit verschillende soorten cellen - om ze naar het gebied te leiden dat hun functie heeft verloren. Dat omhulsel begint na ongeveer drie maanden te desintegreren zonder dat er een levende zenuw in zit. Het is een race tegen de klok, zegt Smith. Een zenuw die bijvoorbeeld in de pols is doorgesneden, kan de korte afstand tot de hand overspannen en op tijd genezen om de functie te herstellen. Als dezelfde zenuw echter bij de schouder zou worden doorgesneden, zou de persoon vrijwel zeker het volledige gebruik van die hand verliezen, omdat de nieuwe groei de hand niet zou bereiken voordat de schede stierf.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2010

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Zelfs de meest geavanceerde experimentele technieken zijn er niet in geslaagd de zenuwfunctie te herstellen op plaatsen die ver van een verwonding verwijderd zijn. Smith dacht dat hij een snelle zenuwregeneratie zou vergemakkelijken door in het laboratorium gekweekte zenuwen te gebruiken als een soort steiger die artsen zouden kunnen plaatsen waar de zenuw van een patiënt is overleden. Hoewel de geïmplanteerde zenuw zelf geen signalen zou verzenden, zou de aanwezigheid van het levende weefsel de regenererende zenuw van het lichaam terug naar de plaats van de verwonding kunnen leiden, terwijl de losgemaakte zenuwomhulsel intact blijft.

Om de gemanipuleerde zenuwen lang genoeg te laten groeien om het gewonde gebied te overspannen tegen de tijd dat ze werden getransplanteerd, oefende hij lichte, geleidelijk toenemende fysieke spanning uit; dit proces, ontdekte hij, moedigde de zenuwen aan om bijna 100 keer zo snel te groeien als wetenschappers voor mogelijk hadden gehouden. En de zenuwen werden niet alleen langer maar ook dikker, blijkbaar omdat er extra eiwitten worden gevormd als reactie op de spanning. Smith en zijn team introduceerden deze gemanipuleerde zenuwen bij ratten waarbij een deel van hun beenzenuwen was uitgesneden. Binnen vier maanden, toen de natuurlijke zenuwen in de lichamen van de ratten begonnen te regenereren, hadden de transplantaties geholpen die zenuwen over de kloven te leiden, waardoor de functie van de benen van de ratten met succes werd hersteld.

Het uitrekken
Om de lange zenuwtransplantaties te maken, verzamelen Smith en zijn team eerst sensorische neuronen - cellen die informatie naar de hersenen overbrengen - uit het ruggenmerg van foetale ratten. Onderzoekstechnicus Kevin Browne pipetteert vervolgens een gelatineus roze eiwit, collageen genaamd, op twee aangrenzende films in een speciaal gebouwde kamer. Ongeveer zo groot als een schoenendoos, bevat het een rekapparaat dat bestaat uit een verticaal blok dat aan metalen staven is bevestigd. Een van de kleine, heldere films, het sleepmembraan genoemd, hangt aan één uiteinde aan het blok en buigt bijna naar de basis van de kamer, waar het het tweede membraan overlapt. Browne plaatst een set neuronen in het collageen op het sleepmembraan en een andere op het onderste membraan. Op dit punt zijn de twee groepen minder dan 100 micrometer - twee haren breed - uit elkaar. Hij zet de hele opstelling in een zoemende incubator die draait op 37 ° C, de interne temperatuur van een rat nabootst.

De volgende dag druppelt Browne met een pipet een oplossing van enzymen en andere eiwitten op de membranen; de oplossing stimuleert de neuronen om axonen te laten ontkiemen. Langzaam reikt een axon van een enkel neuron uit en vormt een synaptische verbinding met een neuron aan de overkant. Na ongeveer vijf dagen zijn de axonen stevig verbonden met hun naburige neuronen en Browne bevestigt de staven van de kamer aan een computergestuurde motor. De motor trekt het sleepmembraan weg van het onderste membraan met een variërende snelheid die met vallen en opstaan ​​is bepaald.

Na ongeveer drie tot vijf dagen van geleidelijke verhoging van de spanning, kan het team beginnen met het uitrekken van de axonen tot wel één centimeter per dag (ongeveer 100 keer de snelheid waarmee regenererende zenuwen in het lichaam groeien), hoewel kortere transplantaties langzamer kunnen worden uitgerekt .

Reparatiewerkzaamheden
Na ongeveer een week langzaam uitrekken, haalt Browne de rekdoos uit de incubator. Hij gebruikt een pipet om meer collageen, dat werkt als een zachte lijm, bovenop de cellen toe te voegen. Dan rolt hij de zenuwvezels en de aangehechte neuronen van de films. Met een microscopisch pincet laat Browne de nieuwe zenuw, nu ongeveer een centimeter lang, vallen in een rietje dat in de lengte is doorgesneden. De buis, gemaakt van een biologisch afbreekbaar materiaal dat oplost in het lichaam, dient als een synthetisch zenuwomhulsel. Browne hecht of lijmt het stevig dicht met de zenuw erin.

In eerste experimenten die bedoeld waren om het vermogen van het transplantaat om zenuwbeschadigingen te herstellen te testen, verwijdert Smith ongeveer een centimeter van de heupzenuw van een rat, die door de billen en langs de achterkant van elk been naar de enkel en voet loopt en berichten van het ruggenmerg naar de de verschillende beenspieren. Vervolgens plaatst hij de buis in de ruimte waar de zenuw was. Met een tang duwt hij voorzichtig een stompje van de heupzenuwschede van de rat in elk uiteinde van de buis en sluit deze af met fibrinelijm. Zonder het implantaat op zijn plaats zou het deel van de zenuwomhulling onder de snede degenereren en zou de rat beweging in dat been verliezen. De in het laboratorium gekweekte zenuwen bieden een levend pad voor regeneratie, stimuleren de eigen motorneuronen van de rat om in de juiste richting te groeien en houden de omhulling in leven.

Smith zegt dat in tests die zijn uitgevoerd op meer dan 40 ratten, zijn groep bijna 100 procent succes heeft gehad bij het herstellen van het vermogen van de dieren om te lopen. Toen de onderzoekers die ratten ontleedden, ontdekten ze dat er nieuwe axonen waren gegroeid uit hun ruggenmerg en verweven waren met de getransplanteerde zenuwen. De neuronen in de buizen hadden ook aanleiding gegeven tot nieuwe axonen die zich in beide richtingen uit de buis uitstrekten en zich verder vermengden met de eigen regenererende axonen van de ratten.

Smith en zijn team denken dat langere zenuwimplantaten kunnen helpen bij het herstellen van uitgebreidere verwondingen; tot nu toe is de langste zenuw die ze hebben gegroeid ongeveer 10 centimeter. Ze hebben ook aangetoond dat het rekproces werkt op menselijke neuronen van orgaandonoren. Smith hoopt in de komende twee jaar te beginnen met het testen van de door mensen afgeleide implantaten bij patiënten met zenuwletsel.

zich verstoppen