Исследователи, ищущие способы регенерации нервов, могут столкнуться с трудностями при получении ключевых инструментов своего дела.
Шванновские клетки являются примером. Они образуют оболочки вокруг аксонов, хвостообразных частей нервных клеток, передающих электрические импульсы. Они способствуют регенерации этих аксонов. И они выделяют вещества, способствующие здоровью нервных клеток.
Другими словами, они очень полезны для исследователей, надеющихся регенерировать нервные клетки, особенно периферические нервные клетки, клетки вне головного и спинного мозга.
Но количество шванновских клеток трудно найти в полезном количестве.
Итак, исследователи брали легкодоступные и не вызывающие споров мезенхимальные стволовые клетки (также называемые стромальными стволовыми клетками костного мозга, которые могут образовывать костные, хрящевые и жировые клетки) и использовали химический процесс, чтобы превратить их или, как говорят исследователи, дифференцировать их в шванновские клетки. Но это сложный, пошаговый и дорогостоящий процесс.
Исследователи из Университета штата Айова изучают то, что, как они надеются, станет лучшим способом преобразования этих стволовых клеток в шванноподобные клетки. Они разработали нанотехнологию, которая использует струйные принтеры для печати многослойных графеновых схем, а также использует лазеры для обработки и улучшения структуры поверхности и проводимости этих схем.
Оказывается, мезенхимальные стволовые клетки прилипают и хорошо растут на приподнятых, шероховатых и трехмерных наноструктурах обработанной цепи. Добавьте небольшие дозы электричества - 100 милливольт по 10 минут в день в течение 15 дней - и стволовые клетки станут шванноподобными клетками.
Выводы исследователей представлены на обложке научного журнала Advanced He althcare Materials. Джонатан Клауссен, доцент кафедры машиностроения штата Айова и сотрудник лаборатории Эймса Министерства энергетики США, является ведущим автором. Супрем Дас, научный сотрудник с докторской степенью в области машиностроения и сотрудник лаборатории Эймса; и Метин Уз, научный сотрудник в области химической и биологической инженерии с докторской степенью, являются первыми авторами.
Проект поддерживается средствами Благотворительного фонда Роя Дж. Карвера, Командования медицинских исследований и материальных средств армии США, Инженерного колледжа штата Айова, факультета машиностроения и кафедры Кэрол Вос Джонсон в области химических и биологических исследований. Инжиниринг под руководством Сурьи Маллапрагады, заслуженного профессора инженерии Энсона Марстона, сотрудника лаборатории Эймса и соавтора статьи.
«Эта технология может привести к лучшему способу дифференциации стволовых клеток», - сказал Уз. «Здесь огромный потенциал».
Электрическая стимуляция очень эффективна, поскольку 85 процентов стволовых клеток дифференцируются в шванноподобные клетки по сравнению с 75 процентами при стандартном химическом процессе, согласно исследованию. Электрически дифференцированные клетки также производили 80 нанограммов на миллилитр фактора роста нервов по сравнению с 55 нанограммами на миллилитр химически обработанных клеток.
Исследователи сообщают, что результаты могут привести к изменениям в лечении повреждений нервов в организме.
«Эти результаты помогают проложить путь к регенерации периферических нервов in vivo, когда гибкие графеновые электроды могут соответствовать месту повреждения и обеспечивать интимную электрическую стимуляцию для восстановления роста нервных клеток», - написали исследователи в резюме своих результатов.
В документе сообщается о нескольких преимуществах использования электрической стимуляции для дифференцировки стволовых клеток в шванноподобные клетки:
- отказ от сложных этапов химической обработки
- снижение затрат за счет устранения необходимости в дорогостоящих факторах роста нервов
- потенциально увеличивая контроль дифференцировки стволовых клеток с помощью точной электрической стимуляции
- и создание малообслуживаемой искусственной основы для восстановления нейронных повреждений.
Ключом к тому, чтобы заставить все это работать, является процесс графеновой струйной печати, разработанный в исследовательской лаборатории Claussen. Этот процесс использует преимущества чудо-материальных свойств графена - это отличный проводник электричества и тепла, он прочен, стабилен и биосовместим - для производства недорогой, гибкой и даже пригодной для носки электроники.
Но была проблема: после того, как графеновые электронные схемы были напечатаны, их нужно было обработать для улучшения электропроводности. Обычно это означало высокие температуры или химикаты. Любой из них может повредить гибкие печатные поверхности, включая пластиковую пленку или бумагу.
Клауссен и его исследовательская группа решили эту проблему, разработав управляемую компьютером лазерную технологию, которая избирательно облучает оксид графена, напечатанный струйной печатью. Обработка удаляет связующие чернила и восстанавливает оксид графена до графена, физически сшивая вместе миллионы крошечных чешуек графена. Этот процесс повышает электропроводность более чем в тысячу раз.
Сотрудничество группы наноинженеров Клауссена, разрабатывающих технологии печатного графена, и группы инженеров-химиков Маллапрагады, работающих над регенерацией нервов, началось с неформальных бесед в кампусе.
Это привело к экспериментальным попыткам вырастить стволовые клетки на печатном графене, а затем к экспериментам по электрической стимуляции.
«Мы знали, что это будет действительно хорошая платформа для электрической стимуляции», - сказал Дас. «Но мы не знали, что он будет дифференцировать эти клетки».
Но теперь, когда это произошло, исследователи говорят, что есть новые возможности для размышлений. Например, однажды эту технологию можно будет использовать для создания растворимых или рассасывающихся материалов для регенерации нервов, которые можно будет хирургическим путем поместить в тело человека и для удаления которых не потребуется повторная операция.