Нейрорегенерация включает в себя возобновление роста или восстановление нервных тканей , клеток или клеточных продуктов. Нейрорегенеративные механизмы могут включать образование новых нейронов , глии , аксонов , миелина или синапсов . Нейрорегенерация различается в периферической нервной системе (ПНС) и центральной нервной системе (ЦНС) по задействованным функциональным механизмам, особенно по степени и скорости восстановления. При повреждении аксона дистальный сегмент подвергается валлеровской дегенерации , теряя миелиновую оболочку. Проксимальный сегмент может либо погибнуть в результате апоптоза , либо подвергнуться хроматолитической реакции , которая является попыткой восстановления. В ЦНС разрушение синапсов происходит, когда глиальные отростки вторгаются в мертвый синапс. [1]
Ежегодно от травм нервной системы страдают более 90 000 человек. [2] Только от травм спинного мозга ежегодно страдают около 10 000 человек. [3] В результате высокой частоты неврологических травм регенерация и восстановление нервов, область инженерии нервной ткани , становится быстро развивающейся областью, посвященной открытию новых способов восстановления функциональности нервов после травм.
Нервная система делится неврологами на две части: центральную нервную систему (которая состоит из головного и спинного мозга ) и периферическую нервную систему (которая состоит из черепных и спинномозговых нервов вместе с соответствующими ганглиями ). В то время как периферическая нервная система обладает внутренней способностью к восстановлению и регенерации, центральная нервная система по большей части неспособна к самовосстановлению и регенерации. В настоящее время не существует [обновлять]лечения для восстановления функции нервов человека после повреждения центральной нервной системы. [4] Многочисленные попытки повторного роста нервов через переход ПНС-ЦНС не увенчались успехом. [4] Просто недостаточно знаний о регенерации в центральной нервной системе. Кроме того, хотя периферическая нервная система обладает способностью к регенерации, еще необходимо провести много исследований, чтобы оптимизировать среду для максимального потенциала восстановления. Нейрорегенерация важна клинически, поскольку она является частью патогенеза многих заболеваний, включая рассеянный склероз .
Нейрорегенерация в периферической нервной системе (ПНС) происходит в значительной степени. [5] [6] После повреждения аксона периферические нейроны активируют различные сигнальные пути, которые включают гены, способствующие росту, что приводит к реформированию функционального конуса роста и регенерации. Рост этих аксонов также регулируется хемотаксическими факторами, секретируемыми шванновскими клетками . Повреждение периферической нервной системы немедленно вызывает миграцию фагоцитов , шванновских клеток и макрофагов к месту поражения , чтобы удалить остатки, такие как поврежденные ткани, которые препятствуют регенерации. Когда нервный аксон разрывается, его конец, все еще прикрепленный к телу клетки, называется проксимальным сегментом, а другой конец — дистальным сегментом. После травмы проксимальный конец набухает и испытывает некоторую ретроградную дегенерацию, но как только мусор очищается, на нем начинают прорастать аксоны, и можно обнаружить наличие конусов роста. Проксимальные аксоны способны к повторному росту, пока тело клетки не повреждено, и они вступили в контакт со шванновскими клетками в эндоневрии (также известном как эндоневральная трубка или канал). Скорость роста аксонов человека может достигать 2 мм/день в мелких нервах и 5 мм/день в крупных нервах. [4] Однако в дистальном сегменте в течение нескольких часов после травмы наблюдается валлеровская дегенерация ; аксоны и миелин дегенерируют, но эндоневрий остается. На более поздних стадиях регенерации оставшаяся эндоневральная трубка направляет рост аксонов обратно к правильным мишеням. Во время валлеровской дегенерации шванновские клетки растут упорядоченными столбиками вдоль эндоневральной трубки, образуя полосу клеток Бюнгнера, которая защищает и сохраняет эндоневральный канал. Кроме того, макрофаги и шванновские клетки выделяют нейротрофические факторы , которые усиливают повторный рост.
В отличие от повреждений периферической нервной системы, повреждение центральной нервной системы не сопровождается обширной регенерацией. Оно ограничено тормозящими влияниями глиальной и внеклеточной среды. Враждебная, недопустимая среда роста частично создается за счет миграции миелин-ассоциированных ингибиторов, астроцитов, олигодендроцитов, предшественников олигодендроцитов и микроглии. Среда внутри ЦНС, особенно после травмы, препятствует восстановлению миелина и нейронов. Факторы роста не экспрессируются и не реэкспрессируются; например, во внеклеточном матриксе отсутствуют ламинины . Быстро формируются глиальные рубцы , и глия фактически вырабатывает факторы, которые ингибируют ремиелинизацию и восстановление аксонов; например, НОГО и НИ-35. [6] [7] [8] Сами аксоны также теряют потенциал роста с возрастом, среди прочего, из-за снижения экспрессии GAP43 .
Более медленная дегенерация дистального сегмента, чем та, которая происходит в периферической нервной системе, также способствует созданию тормозной среды, поскольку ингибирующий миелин и остатки аксонов не удаляются так быстро. Все эти факторы способствуют образованию так называемого глиального рубца , через который аксоны не могут прорасти. [9] Проксимальный сегмент пытается восстановиться после травмы, но его росту препятствует окружающая среда. Важно отметить, что доказано, что аксоны центральной нервной системы восстанавливаются в благоприятной среде; следовательно, основной проблемой регенерации аксонов центральной нервной системы является пересечение или устранение участка ингибирующего повреждения. [4] Другая проблема заключается в том, что морфология и функциональные свойства нейронов ЦНС весьма сложны, по этой причине функционально идентичный нейрон не может быть заменен нейроном другого типа ( закон Ллинаса ). [10]
Образование рубцов глиальных клеток индуцируется в результате повреждения нервной системы. В центральной нервной системе образование глиального рубца значительно тормозит регенерацию нервов, что приводит к потере функции. Высвобождается несколько семейств молекул, которые способствуют образованию глиальных рубцов. Например, трансформирующие факторы роста B-1 и -2, интерлейкины и цитокины играют роль в инициировании образования рубцов. Накопление реактивных астроцитов в месте повреждения и активация молекул, ингибирующих рост нейритов, способствуют сбою нейрорегенерации. [11] Молекулы с повышенным уровнем экспрессии изменяют состав внеклеточного матрикса таким образом, что, как было показано, подавляют рост нейритов. В формировании рубца участвуют несколько типов клеток и семейств молекул.
В ответ на факторы, вызывающие рубцы, астроциты регулируют выработку протеогликанов хондроитинсульфата . Астроциты являются преобладающим типом глиальных клеток в центральной нервной системе, которые выполняют множество функций, включая смягчение повреждений, восстановление и образование глиальных рубцов. [12] Задействован путь RhoA . Было показано, что хондроитинсульфат-протеогликаны (CSPG) регулируются в центральной нервной системе (ЦНС) после травмы. Повторяющиеся дисахариды глюкуроновой кислоты и галактозамина, гликозаминогликаны (CS-GAG), ковалентно связаны с CSPG ядра белка. Было показано, что CSPG ингибируют регенерацию in vitro и in vivo, но роль корового белка CSPG по сравнению с CS-GAG до недавнего времени не изучалась.
Как и протеогликаны хондроитинсульфата, выработка кератансульфатпротеогликана (KSPG) регулируется в реактивных астроцитах как часть формирования глиальных рубцов. Также было показано, что KSPG ингибируют рост нейритов, ограничивая регенерацию нервов. Кератансульфат , также называемый кератосульфатом, образуется из повторяющихся дисахаридных единиц галактозы и N-ацетилглюкозаминов. Он также 6-сульфатирован. Это сульфатирование имеет решающее значение для удлинения цепи кератансульфата. Исследование было проведено на мышах с дефицитом N-ацетилглюкозамин-6-О-сульфотрансферазы-1. У мышей дикого типа наблюдалось значительное усиление регуляции мРНК, экспрессирующей N-ацетилглюкозамин-6-О-сульфотрансферазу-1 в месте коркового повреждения. Однако у мышей с дефицитом N-ацетилглюкозамин-6-О-сульфотрансферазы-1 экспрессия кератансульфата была значительно снижена по сравнению с мышами дикого типа. Аналогичным образом, образование глиальных рубцов было значительно снижено у мышей с N-ацетилглюкозамин-6-О-сульфотрансферазой-1, и в результате регенерация нервов была менее ингибирована. [11]
Белки олигодендритного или глиального происхождения, влияющие на нейрорегенерацию:
Факторы транскрипции , активация генов (с использованием активации CRISPR [16] ) или небольшие молекулы используются для перепрограммирования глии в нейроны.
Наиболее часто нацеливаемыми глиями являются астроциты (обычно с использованием GFAP ), поскольку они имеют ту же линию происхождения, что и нейроны, и регионально-специфичные сигнатуры транскрипции, [16] тогда как используемый вектор обычно представляет собой аденоассоциированный вирус, поскольку некоторые серотипы проходят через гематоэнцефалический барьер и это не вызывает заболевания.
Целевые гены обычно зависят от типа искомого нейрона; ( Известно, что NGN2 продуцирует глутаматергическую , ASCL1 : ГАМКергическую ...); RBPJ-k блокирует путь Notch и запускает нейрогенную программу [17] , а Sox2 также может повышать эффективность перепрограммирования, вызывая фазу дедифференцировки и самоусиления перед созреванием в нейроны.
Хотя эти методы показывают многообещающие результаты на животных моделях многих неизлечимых нейродегенеративных заболеваний и травм головного мозга , по состоянию на 2023 год клинические испытания не начались.
Хирургическое вмешательство может быть проведено в случае, если периферический нерв был порезан или разделен иным образом. Это называется реконструкцией периферических нервов. Поврежденный нерв идентифицируется и обнажается, чтобы можно было исследовать нормальную нервную ткань выше и ниже уровня повреждения, обычно с увеличением, с использованием луп или операционного микроскопа . Если поврежден большой сегмент нерва, как это может произойти при раздавливании или растяжении, нерв необходимо обнажить на большей площади. Поврежденные участки нерва удаляются. Затем разрезанные нервные окончания осторожно сближают очень тонкими швами. Место восстановления нерва должно быть покрыто здоровой тканью, что может быть таким же простым, как закрытие кожи, или может потребоваться перемещение кожи или мышц, чтобы обеспечить здоровое мягкое покрытие нерва. [18] Тип применяемой анестезии зависит от сложности травмы. Почти всегда используется хирургический жгут . [18]
Ожидания после хирургического восстановления разделенного периферического нерва зависят от нескольких факторов:
В настоящее время аутологичная нервная трансплантация, или нервный аутотрансплантат, известна как золотой стандарт клинического лечения, используемого для восстановления крупных пораженных участков периферической нервной системы. Важно, чтобы нервы не восстанавливались под напряжением [18] , что в противном случае могло бы произойти, если бы концы отрезанных нервов снова сблизились через разрыв. Сегменты нервов берутся из другой части тела (донорского участка) и вставляются в очаг поражения, чтобы обеспечить эндоневральные трубки для регенерации аксонов через разрыв. Однако это не идеальное лечение; часто результатом является лишь ограниченное восстановление функций. Кроме того, на донорском участке часто наблюдается частичная деиннервация, и для сбора ткани и ее имплантации требуется несколько операций.
При необходимости для иннервации поврежденных нервов можно использовать ближайшего донора. Травму донора можно свести к минимуму, используя технику, известную как сквозное восстановление. При этой процедуре в донорском нерве создают эпиневрическое окно и над окном зашивают проксимальную культю пораженного нерва. Регенерирующие аксоны перенаправляются в культю. Эффективность этого метода частично зависит от степени частичной неврэктомии, выполненной донору, причем увеличение степени неврэктомии приводит к усилению регенерации аксонов в поврежденном нерве, но с последствием увеличения дефицита донорской нервной системы. [19]
Некоторые данные свидетельствуют о том, что местная доставка растворимых нейротрофических факторов в место трансплантации аутологичного нерва может усилить регенерацию аксонов внутри трансплантата и помочь ускорить функциональное восстановление парализованной мишени. [20] [21] Другие данные свидетельствуют о том, что генная терапия, индуцированная экспрессия нейротрофических факторов в самой целевой мышце, также может способствовать усилению регенерации аксонов. [22] [23] Ускорение нейрорегенерации и реиннервации денервированной мишени критически важно для уменьшения возможности постоянного паралича из-за мышечной атрофии.
Варианты аутотрансплантата нерва включают аллотрансплантат и ксенотрансплантат . При аллотрансплантате ткань для трансплантата берется у другого человека, донора, и имплантируется реципиенту. Ксенотрансплантаты включают в себя взятие донорской ткани от другого вида. Аллотрансплантаты и ксенотрансплантаты имеют те же недостатки, что и аутотрансплантаты, но, кроме того, необходимо учитывать и отторжение тканей в результате иммунных реакций. Часто при использовании этих трансплантатов требуется иммуносупрессия. Передача заболевания также становится фактором при введении тканей от другого человека или животного. В целом, качество результатов аллотрансплантатов и ксенотрансплантатов не соответствует качеству результатов, наблюдаемых при использовании аутотрансплантатов, но они необходимы при недостатке аутологичной нервной ткани.
Из-за ограниченной функциональности аутотрансплантатов, нынешнего золотого стандарта регенерации и восстановления нервов, недавние исследования в области инженерии нервной ткани были сосредоточены на разработке биоискусственных проводников нервов для управления повторным ростом аксонов. Создание искусственных нервных проводников также известно как энтубуляция, поскольку нервные окончания и промежуточный промежуток заключены в трубку, состоящую из биологических или синтетических материалов. [24]
Направление исследований направлено на использование препаратов, нацеленных на белки-ингибиторы ремиелинизирования или другие ингибиторы. Возможные стратегии включают вакцинацию против этих белков (активная иммунизация) или лечение ранее созданными антителами ( пассивная иммунизация ). Эти стратегии кажутся многообещающими на моделях животных с экспериментальным аутоиммунным энцефаломиелитом (EAE), моделью рассеянного склероза . [25] Моноклональные антитела также использовались против ингибирующих факторов, таких как NI-35 и NOGO. [26]
Гобрехт П., Андреаки А., Дикманн Х., Хескамп А., Лейбингер М., Фишер Д. (апрель 2016 г.). «Стимулирование функциональной регенерации нервов путем ингибирования детирозинирования микротрубочек». Журнал неврологии . 36 (14): 3890–902. doi : 10.1523/JNEUROSCI.4486-15.2016. ПМК 6705512 . ПМИД 27053198.