Eine Weltneuheit! Gute Nachrichten für Millionen gelähmter Menschen: Künstliches 3D-Rückenmark heilt gelähmte Mäuse

Geschrieben von: Zhu Hengheng

Herausgeber: Wang Haha

Layout: Li Xuewei

Im Alltag beeinträchtigt eine traumatische Querschnittslähmung aufgrund von Stürzen oder Verkehrsunfällen das Leben von Millionen Menschen auf der ganzen Welt. Generell gibt es derzeit keine wirklich wirksame Behandlungsmöglichkeit für Patienten mit vollständiger Rückenmarksdurchtrennung, geschädigten Nervenzellen und gerissenen Nervenfasern. Die meisten von ihnen sind lebenslang gelähmt und haben eine sehr schlechte Lebensqualität.

Und jetzt gibt es endlich Hoffnung.

Kürzlich entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Tal Dvir vom Sagol Center for Regenerative Biotechnology an der Universität Tel Aviv in Israel in Zusammenarbeit mit dem israelischen Unternehmen für regenerative Medizin Matricelf erfolgreich ein 3D-gedrucktes Implantat aus Rückenmarksgewebe, mit dem sich ein gebrochener Rückenmarkswirbel wirksam reparieren lässt. In Tierversuchen stellte die neue Therapie bei 100 % der Mäuse mit Lähmungen im Frühstadium und 80 % der Mäuse mit Langzeitlähmungen die Gehfähigkeit wieder her.

Professor Dvir sagte: „Bei einem gelähmten Mausmodell kann das neue 3D-gedruckte Rückenmarksgewebeimplantat die beschädigte Wirbelsäule der Mäuse schnell reparieren und ihnen schließlich die Gehfähigkeit wiederherstellen. Dies ist Berichten zufolge das weltweit erste Beispiel für ein Gewebeimplantat, das die Bewegungsfähigkeit bei einem langfristig gelähmten Tiermodell wiederherstellt, das zugleich das wichtigste Modell für die Behandlung menschlicher Lähmungen ist.“

Die entsprechende Forschungsarbeit mit dem Titel „Regenerating the Injured Spinal Cord at the Chronic Phase by Engineered iPSCs-Derived 3D Neuronal Networks“ wurde in der neuesten Ausgabe des Magazins Advance Science veröffentlicht.

Irreversible traumatische Rückenmarksverletzung

Ich glaube, jeder kennt das Thema traumatische Rückenmarksverletzungen. Bei einer traumatischen Rückenmarksverletzung handelt es sich um eine Erkrankung, bei der unsere Wirbelsäule durch äußere Krafteinwirkung geschädigt wird, was zu einer Lähmung der Gliedmaßen unterhalb der Verletzungsstelle führt.

Durch die Einwirkung äußerer Kräfte wird die Wirbelsäule direkt geschädigt, was zum Absterben neuronaler Zellen, zur Zerstörung der Blut-Rückenmarks-Schranke und zum Abbau der extrazellulären Matrix führt. An der beschädigten Stelle kommt es dann zu einer sekundären entzündungsfördernden Verletzungskaskade, die das beschädigte Gewebe weiter zerstört, eine Gliannarbe bildet und zu einer dauerhaften neurologischen Funktionsstörung führt.

Generell ist die Prognose für Patienten je nach Schweregrad der Rückenmarksschädigung sehr unterschiedlich. Bei leichten Verletzungen, wie beispielsweise einer Rückenmarksprellung, kommt es zu keinen erkennbaren organischen Veränderungen und nur zu einem kurzen Schock der Wirbelsäule. Bei solchen Patienten ist die Prognose gut und ihr normales Leben ist kaum beeinträchtigt.

Bei Patienten mit schweren Verletzungen, wie etwa einem Epiduralhämatom, können zwar die meisten Funktionen wiederhergestellt werden, es bleiben jedoch Folgeerscheinungen zurück. Am schwerwiegendsten sind die Fälle bei Patienten, deren Rückenmark vollständig gerissen und deren Nervenzellen schwer geschädigt sind. Für diese Patienten ist es nahezu unmöglich, ihre motorischen oder sensorischen Funktionen wiederzuerlangen und die meisten müssen mit einer lebenslangen Lähmung rechnen.

(Quelle: Pixabay)

Um das verletzte Rückenmark wiederherzustellen, haben klinische Forscher derzeit eine Reihe von Methoden vorgeschlagen, wie etwa die Transplantation unterschiedlicher Zelltypen oder Biomaterialien in die beschädigte Stelle während der akuten Verletzungsphase. Es wurden verschiedene Zelltransplantationstherapien getestet, darunter Schwann-Zellen, neurale Stammzellen, neurale Vorläuferzellen oder mesenchymale Stammzellen.

Im Verlauf des Experiments stellte man jedoch fest, dass es im Zelltransplantationsprozess zwei Hauptprobleme gibt, die zu einem Scheitern der Transplantation führen können: Zum einen die durch verschiedene Zelltypen, wie etwa allogene oder xenogene Zellen, hervorgerufene Immunabstoßungsreaktion und zum anderen das Versagen der implantierten Zellen, sich spontan erfolgreich zu einem funktionellen Netzwerk zu organisieren.

Zur Lösung des Problems der Immunabstoßung sind autologe induzierte pluripotente Stammzellen eine praktikable Lösung. Aus Patientengewebe gewonnene somatische Zellen werden in pluripotente Stammzellen umprogrammiert und dann in die gewünschte Zelllinie differenziert. Studien haben gezeigt, dass zwei Wochen nach der Induktion einer Rückenmarksverletzung in einem Tiermodell neurale Stammzellen, die aus isolierten induzierten pluripotenten Stammzellen gewonnen wurden, in eine Fibrinmatrix eingefügt wurden. Diese Zellen waren in der Lage, sich zu differenzieren und mit Wirtsneuronen zu interagieren, um Axone zu bilden und beschädigte Spinalnerven zu reparieren.

Obwohl diese Methode bis zu einem gewissen Grad wirksam ist, kommt es während der Anwendung aufgrund von Zell-Zell-Interaktionen oder Zell-Matrix-Interaktionen zwangsläufig zu einer Integration der transplantierten Zellen in das normale Gewebe. Da das während des pathologischen Prozesses entstehende Narbengewebe jedoch nicht die Mikroumgebung für die Nervenreparatur bereitstellen kann, kann es zu zahlreichen Zelltoden kommen.

Daher kann das Einfügen vorgefertigter 3D-Neuronalnetze in die Verletzungsstelle ohne Beeinträchtigung des Narbengewebes die therapeutische Wirkung verbessern. Bisherige Untersuchungen zur Entwicklung funktionaler 3D-Transplantationsmodelle für neuronale Netzwerke waren jedoch sehr begrenzt.

3D-gedrucktes Implantat heilt gelähmte Mäuse

Dr. Tal Dvir engagiert sich seit langem in der Erforschung der 3D-Biodrucktechnologie. Er ist außerdem einer der Gründer des Unternehmens für regenerative Medizin Matricelf. In dieser Studie leistete das von Dr. Dvir geleitete Forschungsteam Pionierarbeit bei der Verwendung der 3D-Biodrucktechnologie, um gleichzeitig die Zellen und die extrazelluläre Matrix des Patienten zu drucken und so lebende menschliche Gewebe und Organe herzustellen.

Zunächst entnehmen die Forscher eine Biopsie des Fettgewebes aus dem Bauch des Patienten. Dieses Gewebe besteht wie andere Gewebe im menschlichen Körper aus Zellen und extrazellulärer Matrix. Nach der Trennung der Zellen und der extrazellulären Matrix verwendeten die Forscher gentechnische Verfahren, um die Zellen wieder in ihren Zustand embryonaler Stammzellen umzuprogrammieren.

Aus der extrahierten extrazellulären Matrix wollen die Forscher dann ein personalisiertes Hydrogel herstellen, das bei der Implantation keine Immunabstoßungsreaktion auslöst. Durch die Einkapselung der kultivierten Stammzellen in Hydrogele können diese die embryonale Entwicklung des Rückenmarks simulieren und anschließend zu einem dreidimensionalen neuronalen Netzwerkimplantat mit Motoneuronen werden.

Abbildung | Behandlungsdiagramm (Quelle: Advance Science)

Schließlich testeten die Forscher die Funktionalität des neuen Implantats in zwei Tiermodellen, einem akuten SCI-Modell und einem langfristigen SCI-Modell (entspricht 1 Jahr nach der menschlichen Verletzung).

Die Ergebnisse zeigten, dass dieses neue 3D-Neuralnetzwerkimplantat die beschädigte Wirbelsäule gelähmter Mäuse nach der Implantation schnell reparieren konnte. Letztendlich erlangten alle akut gelähmten Mäuse, die die Transplantation erhalten hatten, ihre Gehfähigkeit zurück, und 80 % der Mäuse im Mausmodell mit Langzeitlähmung erlangten ihre Gehfähigkeit zurück.

Dr. Dvir sagte hierzu: „Weltweit sind Millionen Menschen aufgrund einer Rückenmarksverletzung gelähmt, und es gibt noch immer keine wirksame Behandlung für ihre Krankheit. Viele junge Menschen müssen den Rest ihres Lebens im teuren Rollstuhl verbringen. Unser Ziel ist es, für jeden Gelähmten ein individuelles Rückenmarksimplantat herzustellen, damit sich das geschädigte Gewebe ohne Abstoßung regenerieren kann.“

Insgesamt gelang es den von Dr. Dvir entwickelten 3D-gedruckten Rückenmarksgewebetransplantaten, durch eine Rückenmarksverletzung gelähmte Mäuse zu heilen und ihnen das Gehen wieder zu ermöglichen. Dies ist zweifellos eine bemerkenswerte wissenschaftliche Leistung, die einen enormen Fortschritt in der regenerativen Medizin des Rückenmarks darstellt und vielen Patienten mit Rückenmarksverletzungen in der Zukunft Hoffnung auf Heilung geben könnte.

Berichten zufolge steht Matricelf derzeit in regem Kontakt mit der US-Zulassungsbehörde FDA und bereitet sich darauf vor, noch vor Ende 2024 mit seinen 3D-gedruckten Rückenmarksimplantaten Versuche am Menschen zu beginnen. Das Unternehmen geht davon aus, dass es in wenigen Jahren möglich sein könnte, Lähmungen beim Menschen zu heilen.

Quellen:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105694

https://neurosciencenews.com/spinal-cord-implant-paralysis-20030/

Quelle: Academic Headlines