Nervigt reparationsjobb

I ett labb vid University of Pennsylvania rymmer en plastskål två rader av små svarta prickar, par av dem förbundna med dussintals tunna hårliknande filament. Varje prick är ett kluster av tusentals neuroner, förklarar Douglas Smith, som är professor i neurokirurgi och chef för Penn's Center for Brain Injury and Repair. Fibrerna som sträcker sig mellan dem består faktiskt av tusentals axoner, långa, smala projektioner som leder elektriska impulser bort från varje neurons centrala kropp. Dessa buntar – var och en en labbkonstruerad nerv – representerar fysiska broar som Smith hoppas ska hjälpa forskare som han att laga tidigare irreparable skador.

Vid University of Pennsylvania Center for Brain Injury and Repair använder professorn i neurokirurgi Douglas Smith mekanisk spänning för att påskynda tillväxten av implantat som han hoppas ska reparera nervskador.

När delar av nerver i kroppen skärs av eller krossas dör de. Även om nerverna kan regenereras, gör de det i glaciärtakten på cirka en millimeter om dagen. Och det finns en annan hake: när nya axoner växer behöver de den ursprungliga nervskidan – ett skyddande membran som består av flera olika sorters celler – för att vägleda dem till det område som har förlorat sin funktion. Det höljet börjar sönderfalla efter cirka tre månader utan en levande nerv i sig. Det är en kapplöpning mot tiden, säger Smith. En nerv avskuren i till exempel handleden kan sträcka sig över det korta avståndet till handen och läka i tid för att återställa funktionen. Om samma nerv skärs av nära axeln, skulle personen dock nästan säkert förlora full användning av den handen, eftersom den nya utväxten inte skulle nå handen innan slidan dog.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2010

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Inte ens de mest avancerade experimentella teknikerna har kunnat återställa nervfunktionen till platser långt ifrån en skada. Smith trodde att han kunde underlätta snabb nervregenerering genom att använda labbtillväxta nerver som en slags ställning som läkare kan placera där en patients nerv har dött. Även om den implanterade nerven inte skulle överföra signaler själv, kan närvaron av den levande vävnaden leda kroppens regenererande nerv tillbaka till skadeplatsen samtidigt som den lösgjorda nervskidan hålls intakt.

För att få de konstruerade nerverna att växa tillräckligt länge för att spänna över det skadade området när de transplanterades, applicerade han lätt, gradvis ökande fysisk spänning; Denna process, fann han, uppmuntrade nerverna att växa nästan 100 gånger så snabbt som forskare hade trott var möjligt. Och nerverna blev inte bara längre utan också tjockare, tydligen för att ytterligare proteiner bildas som svar på spänningen. Smith och hans team introducerade dessa konstruerade nerver i råttor som hade en del av sina bennerver utskurna. Inom fyra månader, när de naturliga nerverna började regenereras i råttornas kroppar, hade transplantationerna hjälpt till att leda dessa nerver över avgrunderna och framgångsrikt återställa funktionen till råttornas ben.

Sträcker det
För att göra de långa nervtransplantationerna samlar Smith och hans team först in sensoriska neuroner – celler som överför information till hjärnan – från ryggmärgen hos fosterråttor. Forskningsteknikern Kevin Browne pipetterar sedan ett gelatinöst rosa protein som kallas kollagen på två intilliggande filmer i en specialbyggd kammare. Ungefär lika stor som en skokartong, den rymmer en sträckningsapparat som består av ett vertikalt block fäst vid metallstänger. En av de små, klara filmerna, som kallas bogsermembranet, är upphängd i ena änden av blocket och kröker sig nästan ner till basen av kammaren, där den överlappar det andra membranet. Browne placerar en uppsättning neuroner i kollagenet på bogsermembranet och en annan på bottenmembranet. Vid denna tidpunkt är de två grupperna mindre än 100 mikrometer – två hårstrån – från varandra. Han placerar hela installationen i en brummande inkubator som körs vid 37 °C, som efterliknar den inre temperaturen hos en råtta.

Nästa dag droppar Browne en lösning av enzymer och andra proteiner på membranen med hjälp av en pipett; lösningen uppmuntrar neuronerna att gro axoner. Långsamt sträcker sig ett axon från en enda neuron ut och bildar en synaptisk förbindelse med en neuron tvärs över vägen. Efter ungefär fem dagar har axonerna säkert anslutna till sina närliggande neuroner, och Browne fäster kammarens stavar till en datorstyrd motor. Motorn drar bort bogsermembranet från bottenmembranet i en varierande hastighet som har bestämts genom försök och misstag.

Efter cirka tre till fem dagar av gradvis ökning av spänningen, kan teamet börja sträcka axonerna så snabbt som en centimeter per dag (ungefär 100 gånger hastigheten med vilken regenererande nerver växer i kroppen), även om kortare transplantationer kan sträckas långsammare .

Reparationsarbete
Efter ungefär en veckas långsam stretching tar Browne ut förlängningslådan ur inkubatorn. Han använder en pipett för att lägga till mer kollagen, som fungerar som ett mjukt lim, ovanpå cellerna. Sedan rullar han ner nervfibrerna och de fästa nervcellerna från filmerna. Med mikroskopisk pincett tappar Browne den nya nerven, nu ungefär en centimeter lång, i ett halmliknande rör som har delats på längden. Röret, gjort av ett biologiskt nedbrytbart material som löses upp inuti kroppen, fungerar som en syntetisk nervskida. Browne syr eller limmar den ordentligt stängd med nerven inuti.

I initiala experiment utformade för att testa transplantatets förmåga att reparera nervskador, tar Smith bort ungefär en centimeter av en råts ischiasnerv, som löper genom skinkorna och ner på baksidan av varje ben till ankeln och foten, och bär meddelanden från ryggmärgen till de olika benmusklerna. Han placerar sedan röret i utrymmet där nerven var. Med hjälp av pincett trycker han försiktigt in en stump av råttans ischiasnervslida i varje ände av röret och förseglar den med fibrinlim. Utan implantatet på plats skulle delen av nervslidan under skärsåret degenerera, och råttan skulle förlora rörelse i det benet. De labb-odlade nerverna ger en levande väg för regenerering, uppmuntrar råttans egna motorneuroner att växa i rätt riktning och håller skidan vid liv.

Smith säger att i tester utförda på mer än 40 råttor har hans grupp haft nästan 100 procent framgång med att återställa djurens förmåga att gå. När forskarna dissekerade dessa råttor fann de att nya axoner hade vuxit från deras ryggmärg och flätats samman med de transplanterade nerverna. Neuronerna inuti rören hade också gett upphov till nya axoner som sträckte sig ut ur röret i båda riktningarna och blandade sig ytterligare med råttornas egna regenererande axoner.

Smith och hans team tror att längre nervimplantat kan hjälpa till att reparera mer omfattande skador; hittills är den längsta nerven de har vuxit ungefär 10 centimeter. De har också visat att sträckningsprocessen fungerar på mänskliga nervceller från organdonatorer. Smith hoppas kunna börja testa de mänskliga implantaten hos patienter med nervskador under de kommande två åren.

Dölj