西北大學的科學家創建了最複雜的實驗室培養模型來研究人類脊髓損傷。
在這項新研究中，該團隊使用人類脊髓類器官進行研究。這些是源自幹細胞的小器官，可造成各種形式的脊髓損傷，並評估可能帶來復原的治療方法。
研究人員首次證明，這些人類脊椎類器官可以忠實地再現脊髓損傷的重要生物效應。該模型顯示了細胞死亡、發炎和神經膠質疤痕，這是厚厚的疤痕組織的積累，形成了阻礙神經修復的物理和化學屏障。
當用「跳舞分子」治療受損的類器官時，這種療法在先前的動物研究中有助於恢復運動和修復組織，結果是驚人的。受傷的組織會導致大量神經突的生長。這意味著允許神經元交流的長延伸又開始增加。疤痕樣組織大大減少。研究結果支持了這樣一種觀點，即這種療法最近獲得了美國食品和藥物管理局 (FDA) 的孤兒藥資格認定，可以改善脊髓損傷患者的康復。
該研究發表於 2 月 11 日 天然生物醫學工程。
「類器官最令人興奮的一個方面是，我們可以用它們來測試人體組織中的新療法，」該研究的資深作者、跳舞分子的發明者、西北大學的塞繆爾·I·斯圖普 (Samuel I. Stupp) 說。 「雖然臨床試驗才剛開始，但這是實現這一目標的唯一途徑。我們決定在人類脊髓類器官中開發兩種不同的損傷模型。並測試我們的治療方法，看看結果是否與我們之前在動物模型中看到的結果相似。使用我們的治療後，神經膠質疤痕也明顯消退，幾乎無法檢測到。而且我們看到了神經元的生長。
Stupp 是再生材料科學領域的領導者，擔任西北大學材料科學與工程、化學、醫學和生物醫學工程的特聘教授。他在麥考密克工程學院、溫伯格藝術與科學學院和范伯格醫學院任職，並領導再生奈米醫學中心 (CRN)。論文的第一作者是 Feinberg 醫學助理教授、CRN 成員 Nozomu Takata。
為什麼人類類器官很重要？
這些類器官是在實驗室中從多能幹細胞培養出來的。雖然它們是簡單形式的完整器官，但在結構上與真實組織相似。細胞多樣性並緊密合作。因此，有機物是疾病研究的強大工具。測試治療並探索器官如何發育。它還允許研究人員比動物試驗或人體臨床試驗更快、成本更低。
而其他群體則在脊髓中產生有機物質來研究基礎生物學。該模型代表了損傷研究的重大進步。類器官的直徑為幾毫米，並且足夠成熟，可以治癒和模擬創傷性損傷。
研究小組在幾個月內引入幹細胞來創建由神經元和星狀細胞組成的複雜脊髓組織。他們也是第一個將小膠質細胞納入其中的人，小膠質細胞是在中樞神經系統中發現的免疫細胞。為了更好地模擬脊髓損傷後發生的發炎反應。
「這是一個假體器官，」斯塔普說。 「我們是第一個將小膠質細胞引入人類脊髓類器官中的人。這是一項偉大的成就。這意味著我們的類器官含有常駐免疫系統響應損傷而產生的所有化學物質。這使得脊髓損傷模型更加真實和準確。”
什麼是跳舞分子？
當脊柱類器官完全發育成熟時，研究人員也將注意力轉向損傷測試和治療。舞蹈分子療法於 2021 年推出，利用受控的分子運動來修復組織。它可能會導致脊髓損傷後癱瘓復發。它屬於更廣泛的一類分子治療勝肽 (STP)，依靠 100,000 個或更多分子的大成分來激活細胞受體並刺激人體的自然修復訊號。 （大分子療法的概念也應用於目前用於減肥和糖尿病的 GLP-1 藥物。（這是 Stupp 實驗室近 15 年前研究的領域。）
此療法以液體注射的形式進行，可快速產生類似脊髓細胞外基質的奈米纖維。透過動態調整該結構內分子的運動，研究人員提高了其與不斷變化的細胞受體相互作用的效率。
Stupp 在 2021 年表示：“考慮到細胞及其受體不斷移動，你可以想像移動速度較快的分子會更頻繁地遇到這些受體。如果分子速度緩慢且不‘社交’，它們可能永遠不會與細胞接觸。”
在先前的動物實驗中，在嚴重受傷後24小時內注射一次，老鼠就可以在四週內再次行走。分子運動較快的配方比分子運動較慢的配方效果更好。據說增加運動會增加生物活性和細胞訊號傳導。
脊髓損傷模擬
研究人員在類器官中確定了兩種常見的脊髓損傷類型。有些是用手術刀切割的，以模擬類似於手術切口的撕裂。其他人也都遍體鱗傷，遍體鱗傷。它相當於嚴重車禍或跌倒造成的傷害。
這兩種類型的損傷都會導致細胞死亡和神經膠質疤痕。就像真正的脊髓損傷所發生的情況一樣。
「我們可以區分正常組織的星狀細胞和神經膠質疤痕中的星狀細胞。它們非常大且密集，」斯圖普說。 “我們還檢測到硫酸軟骨素蛋白多醣的產生，這是神經系統中對損傷和疾病做出反應的分子。”
用跳舞分子處理後，凝膠奈米纖維結構可減少發炎。減少神經膠質疤痕刺激神經突擴張並刺激神經細胞以有組織的方式生長
神經突包括軸突，軸突經常在脊髓損傷時被切斷。當軸突被切斷時，神經細胞之間的通訊就會中斷。導致受傷區域癱瘓和感覺喪失。促進神經元再生可以重新連接這些路徑並幫助恢復功能。
分子運動的作用
史塔普將治療的有效性歸功於分子運動。這是指分子快速移動甚至在短時間內與奈米纖維網絡分離的能力。對健康有機物的實驗強化了這個想法。
「在我們開發損傷模型之前，我們在健康的類器官上測試了這種療法，」他說。 “跳舞的分子旋轉長軸突。它們出現在類器官的表面。但是當我們使用很少或沒有運動的分子時，我們沒有看到任何東西。這種差異非常明顯。”
展望未來 該團隊計劃設計更先進的類器官來完善他們的模型。他們還打算開發模擬慢性、長期損傷的版本。這通常涉及更厚、更持久的疤痕組織。斯塔普表示，隨著進一步的發展，這些微小的脊髓可以透過利用患者自身的幹細胞製造組織植入物來用於個人化醫療。這降低了免疫排斥的風險。
「人類脊髓類器官的損傷和治療」研究得到了西北大學再生奈米醫學中心的支持。以及 John Potoksnack 家族為脊髓損傷研究提供的禮物。
