Направленный рост аксонов с помощью магнитных наночастиц для восстановления утраченных связей

Исследователи из Университета Пизы под руководством профессора Виттории Раффы и доцента Фабиана Раудзуса представили новый метод, использующий магнитные механические силы для управления ростом аксонов. Цель — повысить эффективность терапии стволовыми клетками при болезни Паркинсона (БП) и других неврологических заболеваниях.

При БП происходит прогрессирующая дегенерация дофаминергических нейронов в substantia nigra (SN), которые проецируются в полосатое тело (ST) через нигростриарный путь. Потеря этих связей ведет к дефициту дофамина и двигательным симптомам.

Клеточная заместительная терапия с использованием дофаминергических клеток-предшественников, полученных из стволовых клеток человека, показала обнадеживающие результаты в клинических испытаниях. Однако ключевым ограничением остается невозможность направить аксоны трансплантированных клеток на большие расстояния к нужным мишеням в зрелом мозге.

Для решения этой проблемы ученые разработали технику nano-pulling. Она использует магнитные наночастицы (MNPs) и внешние магнитные поля для создания контролируемых механических сил внутри трансплантированных нейронов, направляя рост их аксонов к целевым областям мозга.

Для тестирования системы была создана органотипическая модель среза мозга, имитирующая раннюю стадию БП, путем совместного культивирования срезов, содержащих SN и ST. В область SN трансплантировали человеческие нейроэпителиальные стволовые (NES) клетки, предварительно загруженные MNPs. Под воздействием магнитного поля MNPs генерировали силы в пиконьютоновом диапазоне внутри клеток, стимулируя рост аксонов в направлении магнитного градиента.

Исследование, опубликованное в Advanced Science, показало, что nano-pulling значительно увеличивает длину и направленность нейрональных проекций к полосатому телу. Трансплантированные клетки демонстрировали:

Эти показатели являются ключевыми индикаторами созревания нейронов и их функциональной интеграции.

Эффект наблюдался как в NES-клетках, так и в дофаминергических клетках-предшественниках, полученных из человеческих iPS-клеток, что демонстрирует универсальность и клиническую релевантность подхода.

Важно, что использование магнитных наночастиц и магнитных полей, уже применяемых в клинической визуализации и терапии, подтверждает трансляционный потенциал метода. Исследователи также подтвердили, что техника не нарушает жизнеспособность клеток или целостность ткани даже после длительной механической стимуляции.

Эта работа представляет собой значительный шаг в развитии регенеративных терапий для нейродегенеративных заболеваний. Восстанавливая нигростриарный путь через направленный рост аксонов, nano-pulling может повысить эффективность стратегий клеточной трансплантации и помочь восстановить функциональные связи в мозге.

Будущие исследования будут сосредоточены на оптимизации свойств наночастиц, оценке долгосрочных результатов in vivo и изучении более широкой применимости этой техники в других моделях повреждений и заболеваний ЦНС.