Biomateriaal ondersteunt herstel hersens na beroerte (bij muisjes) (afb: Tatiana Segura et al./Cell Biomaterials)

Onderzoeksters van Duke-universiteit in de VS hebben een injecteerbaar biomateriaal ontwikkeld dat beschadigde hersens na een beroerte helpt bij de aanmaak van nieuwe bloedvaten, de hergroei van zenuwen ondersteunt en de beweging herstelt; bij muisjes althans. De behandeling lijkt gedeeltelijk te werken door de eigen afweercellen van het lichaam te activeren, waaronder neutrofielen (witte bloedlichaampjes) die onder de juiste omstandigheden van schadelijk naar nuttig kunnen overschakelen.
Jaarlijks krijgen miljoenen mensen een ischemische beroerte. Deze beroertes ontstaan ​​wanneer een bloedstolsel de bloedtoevoer naar een deel van de hersens blokkeert.
Spoedbehandelingen, zoals medicijnen die het stolsel oplossen en procedures waarbij het stolsel fysiek wordt verwijderd, kunnen de bloedsomloop herstellen en helpen om nog levensvatbaar hersenweefsel te redden. Zodra hersenweefsel is afgestorven kan het herstellen van de bloedtoevoer niet compenseren voor de schade die is aangebracht.
Ernstige beroertes kunnen aanzienlijke hoeveelheden weefsel vernietigen, waardoor een holte ontstaat waar zich ooit gezond hersenweefsel bevond. Nadat artsen het stolsel hebben verwijderd, hangt het herstel grotendeels af van revalidatie. Revalidatie kan de overgebleven hersencircuits helpen zich aan te passen, maar het herstelt het beschadigde gebied niet.
“Zodra hersenweefsel verloren is gegaan, is het herstellen van de bloedtoevoer niet meer voldoende”, aldus Tatiana Segura. “Ons doel is om de beschadigde ruimte zo te bewerken dat de afweer en het herstel van bloedvaten en zenuwen kan beginnen.”
Segura en haar medeonderzoeksters probeerden een omgeving in de hersenholte te creëren die verschillende soorten herstel tegelijkertijd kon ondersteunen. Ze gebruikten zogeheten MAPS, microporeuze gegloeide deeltjesnetwerken. Deze ‘netwerken’ bestaan ​​uit individuele hydrogel-microdeeltjes die zich samenvoegen tot een poreuze structuur. De open ruimtes bieden cellen een raamwerk dat ze kunnen gebruiken tijdens de wederopbouw van het hersenweefsel.

Voortbouwend op eerdere successen met het biomateriaal wilden de onderzoeksters kijken of ze ook het afweersysteem van het eigen lichaam konden gebruiken om het herstelproces te sturen en te versterken. Voor dat onderdeel van de strategie richtten ze zich op astrocyten (stercellen). Deze stervormige cellen spelen een belangrijke rol in de normale hersenfunctie, reageren snel wanneer de hersenen beschadigd raken en kun je zien als de afweercellen van de hersens.
Ze communiceren met omliggende cellen, onder andere door het vrijgeven van extracellulaire blaasjes. Deze extreem kleine pakketjes bevatten eiwitten, lipiden en genetisch materiaal dat het gedrag van andere cellen kan beïnvloeden. De onderzoeksters verzamelden blaasjes van in het lab gekweekte astrocyten en testten ze met verschillende signaalmoleculen die bedoeld zijn om afweercellen aan te trekken, bloedvatherstel te bevorderen en de functie te verbeteren.

In plaats van de EV’s (die blaasjes ook wel vesikels genoemd) simpelweg in het beschadigde gebied te injecteren, werden ze chemisch verbonden aan de oppervlakken van de hydrogel-microdeeltjes. Hierdoor bleven de signalen geconcentreerd binnen het raamwerk, waardoor binnenkomende cellen een betere kans kregen om ze te bereiken. Segura: “We plaatsen niet zomaar een materiaal in de hersenen. We creëren een lokale omgeving die verschillende onderdelen van de herstelreactie kan coördineren.”

Effectief

Eén signaalcombinatie viel op. IL-4 (een interleukine) en C1q bleken bijzonder effectief in het aantrekken van potentieel nuttige afweercellen naar het beschadigde gebied. Die cellen omvatten macrofagen en een verrassend persistente populatie neutrofielen.
Neutrofielen worden vaak in verband gebracht met ontsteking en weefselschade in de vroege stadia van een beroerte. De nieuwe resultaten suggereren dat hun rol complexer kan zijn. In een later stadium na het letsel en wanneer ze omringd worden door de juiste signalen en een gunstige omgeving, kunnen neutrofielen juist bijdragen aan weefselherstel.

De onderzoeksters testten het belang door de populatie afweercellen, rijk aan neutrofielen, te verminderen. Hierdoor nam de bloedvatvorming aanzienlijk af en onderging het weefsel minder herstel. Dat wijst er op dat deze cellen een belangrijke rol spelen in het genezingsproces.
“Dit resultaat verandert onze kijk op neutrofielen na een beroerte”, zegt hoofdauteur Shangjing Xin. “Hun rol lijkt af te hangen van wanneer ze arriveren, waar ze zich bevinden en de signalen die ze uit hun omgeving ontvangen. Onze studie toont een mogelijke technische strategie aan om deze cellen op het juiste moment te rekruteren en vast te houden.”
Terwijl afweercellen het te behandelen gebied binnendrongen, vormden zich ook nieuwe bloedvaten in de holte die door de beroerte was ontstaan. De onderzoeksters troffen meer axonale vezels aan, zowel in als rond het beschadigde gebied. Axonen zijn uitlopers van zenuwcellen die hersencellen in staat stellen signalen door te geven.

Betere prestaties

Muisjes die met het geoptimaliseerde gelmateriaal werden behandeld, presteerden beter bij een test, die bedoeld is om fouten bij het plaatsen van de voorpoten te meten. Na acht weken verschilden hun prestaties statistisch gezien niet meer van die van gezonde controlemuisjes. De verbetering bleef ook gedurende de rest van het onderzoek behouden.
De onderzoeksters gingen ook na of de extracellulaire blaasjes vergelijkbare effecten konden sorteren zonder het biomateriaal. Dat leidde niet tot vergelijkbaar herstel van bloedvaten. Die bevinding suggereert dat het biomateriaal meer deed dan alleen therapeutische signalen naar de hersenen transporteren. De poreuze structuur, in combinatie met het vermogen om de signalen van de EV’s geconcentreerd in het beschadigde gebied te houden, bleek cruciaal voor het herstelproces.

Tot nu toe hebben onderzoeksters de behandeling getest in muisjes door het materiaal rechtstreeks in het beschadigde deel van de hersenen te injecteren. Verder onderzoek is nodig om de veiligheid te beoordelen, precies te begrijpen hoe verschillende populaties afweercellen het herstel beïnvloeden en vast te stellen of de behandeling werkt in grotere modellen die meer lijken op een beroerte bij mensen.
Als volgende stap onderzoekt het lab van Segura EV’s die worden geproduceerd door astrocyten afkomstig van menselijke geïnduceerde pluripotente stamcellen. Dergelijke cellen zouden een beter schaalbare en klinisch relevante bron kunnen vormen en de onderzoeksters tegelijkertijd meer controle geven over de signalen in de EV’s.
Segura: “Je herstelt een ecosysteem niet door alleen de initiële schade te beperken. Je moet de voorwaarden scheppen waaronder het leven kan terugkeren. Zo kijken wij naar de holte die door de beroerte is ontstaan.” Het materiaal is niet bedoeld om de hersenen zelf na te bootsen, maar om een ​​omgeving te creëren waarin lichaamseigen cellen kunnen binnendringen, communiceren en bijdragen aan de opbouw van doorbloed weefsel.

Bron: Science Daily