Исследователи из России и Китая разработали биоматериал, который пытается решить сразу две главные проблемы восстановления мозга после черепно-мозговой травмы: нехватку работоспособных нейронов и опасное воспаление. Речь идет о гидрогеле с магнитоэлектрическими наночастицами и метформином.
Работа выполнена международной командой с участием специалистов Томского политехнического университета, Томского государственного университета, Института катализа СО РАН, Сколтеха и Сычуаньского университета. Исследование поддержал Российский научный фонд. Результаты опубликованы в Journal of Materials Chemistry B.
Наночастицы превращают магнитное поле в локальный электрический сигнал
После тяжелой травмы мозга повреждение не заканчивается в момент удара. В последующие часы и дни могут усиливаться отек, воспаление и другие процессы вторичного повреждения тканей. Важную роль здесь играют микроглия — иммунные клетки мозга. Они способны помогать уборке поврежденных при ЧМТ тканей, но при чрезмерной или длительной активации сами поддерживают воспаление и мешают восстановлению нервных связей.
Ученые решили воздействовать сразу на несколько звеньев этого процесса. Основой разработки стал гидрогель из коллагена и окисленной гиалуроновой кислоты с добавлением метформина. В него поместили магнитоэлектрические наночастицы с конструкцией «ядро-оболочка».
Магнитное ядро сделано из феррита марганца. Внешняя пьезоэлектрическая оболочка содержит соединение на основе барий-кальций-цирконат-титаната. Под действием импульсного магнитного поля ядро деформируется, передает механическое напряжение оболочке и вызывает в ней электрическую поляризацию. В результате внутри поврежденной области возникают локальные электрические сигналы — без необходимости подключать электроды непосредственно к мозгу.
Именно эта особенность должна по задумке исследователей помогать нервным стволовым клеткам превращаться в нейроны.
Один материал — сразу несколько решений
Гидрогель в этой системе работает не просто как «контейнер» для наночастиц. Он создает механическую опору для поврежденной ткани и постепенно доставляет активные компоненты непосредственно в нужную область.
Метформин, включенный в матрицу, в экспериментах подавлял переход микроглии в провоспалительное состояние, вызванное липополисахаридом. Параллельно магнитная стимуляция активировала наночастицы и поддерживала дифференцировку нервных стволовых клеток.
В модели ЧМТ у крыс исследователи наблюдали уменьшение воспаления, приток собственных нервных стволовых клеток к месту повреждения и их последующее превращение в зрелые нейроны. Кроме того, усиливались восстановление аксонов, ремиелинизация и формирование новых синаптических связей. На поведенческом уровне животные лучше справлялись с задачами на пространственную ориентацию и память.
Это особенно важно потому, что восстановление мозга после травмы зависит не только от появления новых клеток. Нервной ткани необходимо еще встроить эти клетки в работающую сеть, восстановить контакты между нейронами и создать условия, в которых воспаление не будет постоянно подбрасывать дрова в костер повреждения. Современные обзоры также подчеркивают, что взаимодействие иммунных клеток и нервных стволовых клеток может существенно влиять на исход восстановления.
Пока разработка остается экспериментальной: полученные результаты относятся к лабораторным исследованиям и модели травмы у животных. Однако предложенный подход интересен тем, что объединяет в одном материале магнитно-управляемую стимуляцию нейрогенеза, противовоспалительное действие и постепенную доставку компонентов в область повреждения.
Разработанные наночастицы преобразуют внешнее магнитное поле в локальные электрические сигналы — именно это стимулирует формирование нейронной ткани. А гидрогелевая матрица с метформином не только оказывает противовоспалительное действие и защищает здоровые ткани, но и обеспечивает механическую поддержку поврежденного участка, пролонгированную доставку наночастиц и лекарства строго в целевую зону.
Препарат метформин, использованный в описанной матрице, известен прежде всего как сахароснижающее средство при диабете второго типа. В недавнем материале Hi-Tech Mail разбирался, почему популярное лекарство иногда оказывается неэффективным.