Устранение нейроповреждений сверхкороткими лазерными импульсами

Повреждения нейронов (нейроповреждения) приводят к необратимым изменениям в клетках, органах и функциях организма. Они происходят вследствие:

  • травм,
  • инфекционных и воспалительных процессов,
  • интоксикации,
  • наследственных заболеваний,
  • неспецифических патологий (гипогликемии, анемии, снижения мозгового кровообращения, рассеянного склероза и др.).

Канадские ученые недавно разработали новый универсальный метод восстановления связей между нейронами с применением лазера, излучающего фемтосекундные (предельно короткие) лазерные импульсы. Универсальность метода в том, что его можно применить для любого типа клеток, в том числе и тех, посредством которых передается информация.
Дарсонвализация при травмах пнс

Нейроны: как осуществляется межклеточная коммуникация

Передача информации в нервной системе происходит посредством электрического импульса и химического сигнала: этот тип связи осуществляется в синапсе — межфазовой контактной площадке двух нейронов.

Работа и ЦНС (центральной нервной системы), и ПНС (периферической нервной системы) происходит аналогично. Это возможно, благодаря нейронам и синаптической сети — средствам межклеточной коммуникации.

Строение нейрона

Типичный нейрон состоит из тела клетки (сомы), дендритов и аксонов:

  • Дендриты — это короткие и разветвленные отростки нейронов.
  • Аксон — это клеточное расширение, проходящее большие расстояния в теле человека и других биологических видов. Аксон может сделать несколько переходов и по окончанию подсоединиться к нескольким клеткам.

В головном мозге взрослого человека существует около 300 триллионов синапсов.Электростимуляция в лечении тетрапарезов

Передача нейронных связей

Связи между нервными клетками осуществляются такими способами:

  • от аксона одного нейрона к дендритам или сотовому телу другого;
  • от аксона к аксону;
  • от дендритов к дендритам и т. д.

Клеточные мембраны сомы и аксона активируют напряжение в электропроводящих закрытых ионных каналах (Ca, Na, K и хлорид-ионных).

Почему необратимы повреждения нейронов

Нейрон — специфическая клетка, не способная делиться, особенно в зрелом возрасте. Поэтому повреждение нерва из-за травмы может привести к нарушению функций периферической нервной системы.

Паралич после травм спинного и головного мозга, потеря чувствительности связаны с полным блоком проводимости -обрывом связей между эфферентными (двигательными) и афферентными (чувствительными) нейронами.

(Но утверждение о том, что нейрогенез у взрослого человека вообще не происходит, ошибочно. Да, нейрогенез зависит от многих внешних условий, и может угнетаться от вредных воздействий (радиации, химических веществ, стрессы), но появление новых нейронов происходит и у взрослых, особенно в гиппокампе, в височных отделах головного мозга.

Подробнее о регуляции нейрогенеза, о способах воздействия на него — в интересном видео в конце статьи).

Типы повреждения нейронов

  • Валлерова дегенерация:
    • Разрыв нерва, повреждение аксона и его миелиновой оболочки.
    • Через неделю после травмы начинается блокировка проводимости.
    • Восстановление возможно, если сохранена базальная мембрана (в ее функции входят производство миелина (Шванн клеток) и выбор (аппроксимация) нервных окончаний).
    • Результатом такого повреждения может стать мышечная атрофия в зоне иннервации нейрона.
  • Сегментная демиелинизация:
    • Повреждение ограничивается миелиновой оболочкой.
    • При сохранении аксона мышечная дистрофия не наблюдается.
  • Дегенерация аксонов:
    • Повреждается тело нервной клетки, и происходит дистальная гибель аксона.
    • Развитие мышечной атрофии происходит при отсутствии повторной иннервации от соседних нервов.
    • При таком типе повреждения возможно лишь частичное восстановление.
Разрыв связей Нейронов
Стадии дегенерации нейронов при рассеянном склерозе

Экспериментальные методы восстановления повреждения нейронов

Последнее десятилетие ученые бьются над новыми методами, позволяющими не допустить блокировку проводимости и смерть аксонов после травмы и сохранить жизнеспособность нейронной сети:

  • Разрывы аксонов устранялись путем помещения поперек разрыва разрешительной матрицы.
  • Проводилась клеточная терапия ноотропными препаратами для стимуляции роста и регенерации поврежденных аксонов.
  • В качестве альтернативных методов при повреждениях миелиновой оболочки применяли ингибиторы роста ассоциативных нейронов и ингибиторы роста рубца.
  • Для предотвращения гибели клеток после травмы использовалась молекулярная защита.

Однако все эти обнадеживающие методы имели лишь частичный успех.

Пока не удается сделать главное:

Избирательно подсоединить конкретный аксон к телу клетки нейрона.

Когда удастся произвести соединение отдельных нейронов, в науке произойдет настоящий переворот и откроются двери для беспрецедентного исследования в области неврологии, физиологии, клеточной биологии и биохимии. Возможно будет лечить тяжелые травмы спинного мозга и периферические поражения нервной системы.

Лазерный метод соединения разрыва нейронов

Цели:

  • Восстановить связи между нейронами сразу после травмы и предотвратить блокировку проводимости.
  • Проверить гипотезу о физической привязанности и восстановлении при приближении нервных окончаний.

Лазерная технология с применением фемтосекундных импульсов — яркий кандидат для избирательного подсоединения нейронов. Она используется в нанохирургии как метод лечения рака:

  • для ортопорации (открытии переходного канала в клеточной мембране)
  • трансфекции (внедрении нуклеиновых кислот в ядерные клетки).

Удалить или ионизировать можно материал размером менее дифракционного пятна без ущерба для окружающих тканей.

Фемтосекундные лазерные импульсы были также использованы в качестве инструмента для изучения регенерации нейронов путем разделения нейронов и аксонов.Разрыв связей Нейронов

Но физическое соединение отдельных нейронов до сих пор не выполнялось.

Суть эксперимента

В результате испытания под воздействием лазерного излучения с точными параметрами настройки на культивированном в растворе DMEM биоматериале была произведена гемифузия (слияние) двух фосфолипидных мембран клеток нейронов.

Параметры лазерного излучения и биоматериал

Необратимые повредления нейронных сетей
Рис. 1. Процесс гемифузии (слияния клеточных мембран под воздействием фемтосекундного лазерного излучения.
Слияние достигнуто с помощью фемтосекундных лазерных импульсов с длиной волны 800нм, с параметрами излучения:
  • интенсивность и разрешающая способность соответственно:
    • 1,7 (± 0,08) x 10 12 Вт / см 2 и ± 0,5 мкм;
  • частота повторения 80Мгц;
  • эффективный размер пятна — 600нм.
  • идеальное время облучения составило один-два 15 мс импульсов (т.е. 1,2×106 импульсов).

В качестве биоматериала использовались:

  • P19 клетки тератокарциномы мыши;
  • Neuro2A клетки нейробластомы мыши;
  • телячья, бычья и коровья сыворотка.

На рис. 1 представлены суть эксперимента:

  1. Фемтосекундный лазерный импульс доставляется в целевую точку между аксоном и телом нервной клетки (сомой).
  2. Фосфолипидные бислои нейрона сомы и аксона до воздействия лазера (кругом отмечена область прикрепления фософолипидных слоев).
  3. Лазерный импульс высокой интенсивности вызывает обратимую дестабилизацию обеих фосфолипидных слоев. Под воздействием фемтосекундного лазерного импульса в индуцированной зоне слияния аксон-сома сгенерированные свободные ионы (показаны красным цветом) и свободные электроны (показаны оранжевым) пересекают неполярную центральную область и разрывают связи между жирными кислотами гидрофобных хвостов.
  4. В результате процесса релаксации в целевой точке формируются новые стабильные связи и особая гемифузионная клеточная мембрана — общий фосфолипидный бислой.

Как проводилось лазерное соединение нейронов

  • Выбирались и выделялись клетки для соединения и приводились в контакт с использованием оптического пинцета таким образом, чтобы выступающий аксон одного нейрона коснулся сомы другого нейрона.
  • Клетки оставлялись на какое-то время, чтобы убедиться, что между ними не происходит естественного слияния, после чего они растаскивались оптическим пинцетом.
  • Затем нейроны опять сближали и при помощи фемтосекундных лазерных импульсов облучали область между аксоном и сомой клетки.
  • Для подтверждения соединения один из нейронов перемещался пинцетом внутрь подвески чашки:
    • было обнаружено, что все остальные нейроны следовали за ним, скручивались и поворачивались как одно целое.

Рис. 2 демонстрирует последовательность соединения одного нейрона к нескольким и создание цепочки нейронов с использованием фемтосекундных лазерных импульсов (стрелками обозначена связь аксона и сомы).

Необратимые повредления нейронных сетей
Рис. 2. Соединение цепочки нейронов из Neuro2A клеток и цепочки из P19 клеток фемтосекундным лазерным импульсом.
  1. Присоединение двух Neuro2A клеток, где аксон клеток (I) прилагается к соме (II).
  2. Второй аксон Neuro2A (I) соединяется с сомой Neuro2A (III).
  3. Демонстрируется неразрывность новых связей при повороте соединенных клеток на 30° относительно прежнего положения.
  4. Определены и выделены две группы четырех P19 клеток.
  5. Аксон нейрона (I) вступил в контакт и был связан с сомой (II) с помощью фемтосекундных лазерных импульсов, и обе группы соединились.
  6. Положение цепочки после того, как ее повернули оптическим пинцетом.

Таким образом были прикреплены несколько групп нейронов.

Заключение

На протяжении всего наблюдения и проведенных манипуляция нервные клетки показали свою жизнеспособность и прочность крепления.

Фемтосекундный лазер-индуцированной способ соединения нейронов потенциально может обеспечить научный прорыв, который откроет новые горизонты в исследованиях влияния соединительных нейронов прямо перед или после травмы. Сохранение жизнеспособности нейронной сети позволит исследователям изучать новые сложные патофизиологические процессы, такие как нейрогенез, валлеровская дегенерация, сегментарная демиелинизации и дегенерация аксонов. Это позволит дальнейшее развитие новых методов лечения нервных травм и болезней.

(По материалам статьи научного журнала Nature. Scientific reports)

Видео: Взрослый нейрогенез