Nervöser Reparaturjob

In einem Labor der University of Pennsylvania enthält eine Plastikschale zwei Reihen winziger schwarzer Punkte, die paarweise durch Dutzende dünner, haarähnlicher Fäden verbunden sind. Jeder Punkt ist eine Ansammlung von Tausenden von Neuronen, erklärt Douglas Smith, Professor für Neurochirurgie und Direktor des Penn’s Center for Brain Injury and Repair. Die Fasern, die sich zwischen ihnen erstrecken, bestehen tatsächlich aus Tausenden von Axonen, langen, schlanken Fortsätzen, die elektrische Impulse vom Zentralkörper jedes Neurons wegleiten. Diese Bündel – jedes ein im Labor hergestellter Nerv – stellen physische Brücken dar, von denen Smith hofft, dass sie Forschern wie ihm helfen werden, zuvor irreparable Verletzungen zu reparieren.

Am University of Pennsylvania Center for Brain Injury and Repair nutzt der Professor für Neurochirurgie Douglas Smith mechanische Spannung, um das Wachstum von Implantaten zu beschleunigen, von denen er hofft, dass sie Nervenschäden reparieren.

Wenn Nervenabschnitte im Körper durchtrennt oder gequetscht werden, sterben sie ab. Obwohl sich die Nerven regenerieren können, tun sie dies im Gletschertempo von etwa einem Millimeter pro Tag. Und noch ein Haken: Wenn neue Axone wachsen, brauchen sie die ursprüngliche Nervenhülle – eine schützende Membran, die aus mehreren verschiedenen Zellarten besteht –, um sie an den Ort zu führen, der ihre Funktion verloren hat. Diese Hülle beginnt sich nach etwa drei Monaten aufzulösen, ohne dass ein lebender Nerv darin ist. Es ist ein Wettlauf gegen die Zeit, sagt Smith. Ein durchtrennter Nerv, beispielsweise im Handgelenk, kann die kurze Distanz zur Hand überbrücken und rechtzeitig heilen, um die Funktion wiederherzustellen. Wenn derselbe Nerv jedoch in der Nähe der Schulter durchtrennt würde, würde die Person mit ziemlicher Sicherheit die volle Nutzung dieser Hand verlieren, da das neue Wachstum die Hand nicht erreichen würde, bevor die Hülle abgestorben ist.

Diese Geschichte war Teil unserer Januar-Ausgabe 2010

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Nicht einmal die fortschrittlichsten experimentellen Techniken waren in der Lage, die Nervenfunktion an Stellen wiederherzustellen, die weit von einer Verletzung entfernt waren. Smith dachte, er könnte eine schnelle Nervenregeneration erleichtern, indem er im Labor gezüchtete Nerven als eine Art Gerüst verwendet, das Ärzte dort platzieren könnten, wo der Nerv eines Patienten abgestorben ist. Obwohl der implantierte Nerv selbst keine Signale überträgt, könnte das Vorhandensein des lebenden Gewebes den regenerierenden Nerv des Körpers zurück zur Verletzungsstelle führen, während die abgelöste Nervenhülle intakt bleibt.

Damit die manipulierten Nerven zum Zeitpunkt der Transplantation lang genug wachsen, um den verletzten Bereich zu überspannen, übte er eine leichte, allmählich zunehmende körperliche Anspannung aus; Dieser Prozess, so fand er, ermutigte die Nerven, fast 100-mal so schnell zu wachsen, wie Wissenschaftler es für möglich gehalten hatten. Und die Nerven wurden nicht nur länger, sondern auch dicker, offenbar weil sich durch die Anspannung zusätzliche Proteine ​​bilden. Smith und sein Team führten diese künstlichen Nerven in Ratten ein, denen ein Teil ihrer Beinnerven abgeschnitten war. Innerhalb von vier Monaten, als sich die natürlichen Nerven im Körper der Ratten zu regenerieren begannen, hatten die Transplantate dazu beigetragen, diese Nerven durch die Abgründe zu führen und die Funktion der Beine der Ratten erfolgreich wiederherzustellen.

Es dehnen
Um die langen Nerventransplantationen durchzuführen, sammeln Smith und sein Team zunächst sensorische Neuronen – Zellen, die Informationen an das Gehirn übermitteln – aus dem Rückenmark fötaler Ratten. Der Forschungstechniker Kevin Browne pipettiert dann in einer speziell gebauten Kammer ein gelatinöses rosa Protein namens Kollagen auf zwei benachbarte Filme. Es hat etwa die Größe eines Schuhkartons und beherbergt eine Dehnvorrichtung, die aus einem vertikalen Block besteht, der an Metallstangen befestigt ist. Eine der kleinen, klaren Folien, die sogenannte Schleppmembran, wird an einem Ende am Block aufgehängt und krümmt sich fast bis zum Boden der Kammer, wo sie die zweite Membran überlappt. Browne platziert einen Satz Neuronen im Kollagen auf der Schleppmembran und einen anderen auf der unteren Membran. Zu diesem Zeitpunkt sind die beiden Gruppen weniger als 100 Mikrometer – zwei Haare breit – voneinander entfernt. Er stellt das gesamte Setup in einen brummenden Inkubator, der bei 37 °C läuft und die Innentemperatur einer Ratte nachahmt.

Am nächsten Tag tropft Browne mit einer Pipette eine Lösung aus Enzymen und anderen Proteinen auf die Membranen; die Lösung regt die Neuronen an, Axone zu sprießen. Langsam streckt sich ein Axon eines einzelnen Neurons aus und bildet eine synaptische Verbindung mit einem Neuron auf der anderen Seite. Nach etwa fünf Tagen haben sich die Axone sicher mit ihren benachbarten Neuronen verbunden, und Browne befestigt die Stäbe der Kammer an einem computergesteuerten Motor. Der Motor zieht die Schleppmembran mit einer variierenden Geschwindigkeit von der unteren Membran weg, die durch Versuch und Irrtum bestimmt wurde.

Nach etwa drei bis fünf Tagen, in denen die Spannung allmählich erhöht wird, kann das Team beginnen, die Axone mit einer Geschwindigkeit von bis zu einem Zentimeter pro Tag zu dehnen (ungefähr das 100-fache der Geschwindigkeit, mit der sich regenerierende Nerven im Körper wachsen), obwohl kürzere Transplantate langsamer gedehnt werden können .

Reparatur
Nach etwa einer Woche langsamen Dehnens nimmt Browne die Dehnungsbox aus dem Inkubator. Mit einer Pipette fügt er mehr Kollagen, das wie ein weicher Kleber wirkt, auf die Zellen auf. Dann rollt er die Nervenfasern und die daran befestigten Neuronen von den Folien ab. Mit einer mikroskopischen Pinzette lässt Browne den neuen Nerv, der jetzt etwa einen Zentimeter lang ist, in ein strohartiges Röhrchen fallen, das der Länge nach gespalten wurde. Der Schlauch aus einem biologisch abbaubaren Material, das sich im Körper auflöst, dient als synthetische Nervenhülle. Browne vernäht oder verklebt es sicher mit dem Nerv im Inneren.

In ersten Experimenten, die darauf abzielten, die Fähigkeit des Transplantats zu testen, Nervenverletzungen zu reparieren, entfernt Smith etwa einen Zentimeter des Ischiasnervs einer Ratte, der durch das Gesäß und die Rückseite jedes Beins bis zum Knöchel und Fuß verläuft und Botschaften vom Rückenmark an die verschiedenen Beinmuskeln. Dann legt er die Röhre in den Raum, in dem sich der Nerv befand. Mit einer Pinzette schiebt er vorsichtig einen Stumpf der Ischiasnervenscheide der Ratte in jedes Ende des Röhrchens und versiegelt es mit Fibrinkleber. Ohne das Implantat würde der Teil der Nervenscheide unter dem Schnitt degenerieren und die Ratte würde die Bewegung in diesem Bein verlieren. Die im Labor gezüchteten Nerven bieten einen lebenden Weg für die Regeneration, indem sie die motorischen Neuronen der Ratte dazu anregen, in die richtige Richtung zu wachsen und die Hülle am Leben zu erhalten.

Smith sagt, dass seine Gruppe in Tests an mehr als 40 Ratten fast 100-prozentige Erfolge bei der Wiederherstellung der Gehfähigkeit der Tiere hatte. Als die Forscher diese Ratten sezierten, stellten sie fest, dass neue Axone aus ihrem Rückenmark gewachsen und mit den transplantierten Nerven verflochten waren. Die Neuronen in den Röhren hatten auch neue Axone hervorgebracht, die sich in beide Richtungen aus der Röhre erstreckten und sich weiter mit den eigenen sich regenerierenden Axonen der Ratten vermischten.

Smith und sein Team glauben, dass längere Nervenimplantate helfen könnten, ausgedehntere Verletzungen zu reparieren; Bisher ist der längste Nerv, den sie gewachsen sind, ungefähr 10 Zentimeter lang. Sie haben auch gezeigt, dass der Dehnungsprozess bei menschlichen Neuronen von Organspendern funktioniert. Smith hofft, in den nächsten zwei Jahren mit dem Testen der vom Menschen stammenden Implantate bei Patienten mit Nervenverletzungen beginnen zu können.

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