Jak mikroorganizmy produkują osłonki nerwowe

07-11-2017

Wytwarzana przez mikroorganizmy celuloza bakteryjna (bionanoceluloza) ze względu na swoje nadzwyczajne właściwości znajduje zastosowanie w przemyśle papierniczym i tekstylnym, w elektronice (papier elektroniczny, membrany głośnikowe) i przemyśle spożywczym (tradycyjny deser Filipińczyków „nata de coco”). Jako biomateriał o niezwykłej biokompatybilności znajduje coraz szersze zastosowanie w medycynie, zarówno do użytku zewnętrznego (wilgotny opatrunek) jak i wewnętrznego (implant).

Galaretowata błona

Mało kto wie, że nie tylko drzewa produkują celulozę. Istnieje kilka szczepów bakterii, które wytwarzają coś w rodzaju „płaszcza” celulozowego, chroniącego je przed promieniowaniem ultrafioletowym, a jednocześnie pomagającego w utrzymaniu dostępu do tlenu. Wśród nich szczep Gluconacetobacter xylinus jest uważany za najlepszego i najbardziej wydajnego producenta. Bakterie te produkują celulozę zewnątrzkomórkowo na podłożach zawierających cukry proste, mogą to być nawet podłoża odpadowe. Z tygodniowej hodowli stacjonarnej można otrzymać błonę o średniej grubości 1-1,5 cm (pokazaną na zdjęciu).

Dwudniowa błona celulozowa w hodowli stacjonarnej bakterii Gluconacetobacter xylinus Dwudniowa błona celulozowa w hodowli stacjonarnej bakterii Gluconacetobacter xylinus

foto: źródło: Ludwicka K, et al. Chapter 9 - Medical and Cosmetic Applications of Bacterial NanoCellulose. In: Bacterial Nanocellulose. Elsevier; 2016. p. 145–65.

Problem nerwowy

Uszkodzenia nerwów obwodowych są jednym z trudniejszych problemów leczniczych. Całkowite uszkodzenie nerwu (neurothmesis) powoduje zwykle zaburzenia czucia ze zmianami troficznymi skóry, porażenie mięśni z upośledzeniem czynności czuciowo-ruchowych i niejednokrotnie prowadzi do trwałego kalectwa. Ci, którzy doświadczyli uszkodzenia nerwu wiedzą, że jego regeneracja jest długotrwałym, bardzo skomplikowanym procesem.

Nerwy obwodowe do pewnego stopnia potrafią same się regenerować, niestety proces ten jest ograniczony tylko do małych uszkodzeń. Gdy odległość między uszkodzonymi włóknami lub zakres uszkodzenia jest niewielki, stosuje się chirurgiczną metodę zbliżania do siebie końców nerwu i zespalania wiązek nerwowych. Jednak jeśli uszkodzenie jest duże, takie naciąganie wywołuje zbyt silne napięcie, dlatego jedynym sposobem leczenia takich przypadków są przeszczepy. Wiąże się to z pobraniem materiału do przeszczepu oraz wykonaniem wielokrotnych zabiegów chirurgicznych. W konsekwencji pacjent nie tylko traci do pewnego stopnia czucie w miejscu, z którego pobierany jest nerw do przeszczepu, ale najczęściej nie odzyskuje zdolności ruchowo-czuciowych w miejscu pierwotnego uszkodzenia tkanki.

Chociaż obecny stan wiedzy medycznej pozwala na bardzo precyzyjne wykonanie tego typu operacji, problemem okazuje się natura samej tkanki nerwowej. Ze względu na trudności związane z samoistną regeneracją nerwów wiele zabiegów związanych z ich naprawą kończy się niepowodzeniem, a w najlepszym przypadku tylko częściowym wyleczeniem (do 80% powrotu funkcji czynnościowych). Zabiegi zespalania uszkodzonych włókien prowadzą wprawdzie do mechanicznego zrostu pnia nerwu, jednak na skutek rozrostu tkanki łącznej w miejscu zespolenia powstaje blizna, utrudniająca zrost i zaburzająca transport aksonalny. W efekcie tworzą się nerwiaki będące jednym z najczęstszych powikłań pooperacyjnych.

Poszukuje się nowych, lepszych metod naprawy uszkodzeń nerwów obwodowych, jedną z nich jest regeneracja z wykorzystaniem neurotuby.

Tubulizacja – osłonkę nerwową nasuwa się na uszkodzone końce nerwu (stumps) i stabilizuje kilkoma szwami do onerwia Tubulizacja – osłonkę nerwową nasuwa się na uszkodzone końce nerwu (stumps) i stabilizuje kilkoma szwami do onerwia

foto: źródło: Kowalska-Ludwicka K, et al. Modified bacterial cellulose tubes for regeneration of damaged peripheral nerves. Arch Med Sci. 2013 Jun 20;9(3):527–34.

Neurotuby

Neurotubulizacja jest metodą stabilizacji uszkodzonych końców nerwu. Wykorzystuje struktury o kształcie rurek (tub), które zakłada się na miejsce uszkodzenia w celu zbliżenia i nakierowania na siebie uszkodzonych końców nerwów. Technicznie jest to przedstawione na rysunku. Obecnie istnieje wiele materiałów naturalnych i syntetycznych, z których naukowcy produkują osłonki nerwowe. Początkowo usiłowano wykorzystać przeszczepy żylne, mięśnie, osłonki epineurialne oraz ścięgna. Ograniczone możliwości modyfikacji takich implantów oraz niesatysfakcjonujące wyniki badań sprawiły, że zaczęto analizować materiały nie pochodzące od tkanek. Skupiono się na białkach, takich jak laminina, kolagen, fibronektyna oraz innych proteoglikanach i glikozo-aminoglikanach, o których wiadomo, że stymulują aktywność nerwową i wzrost neuronów. Szerokim badaniom poddaje się ostatnio materiały syntetyczne. Są one atrakcyjne ze względu na ich właściwości fizyko-chemiczne. Niestety, produkty degradacji tych polimerów niejednokrotnie są przyczyną powstawania ostrych reakcji immunologicznych, dlatego wiele uwagi poświęca się zmianie ich właściwości tak, by poprawić ich biozgodność.

Biotechnologia i medycyna 

Naukowcy od lat pracują nad opracowaniem materiałów biomedycznych spełniających wszelkie wymogi biokompatybilności, a przede wszystkim dających lepsze efekty regeneracji uszkodzonej tkanki i przywracania jej funkcji. Takie produkty budzą ogromne nadzieje, nie tylko ze względu na łatwość ich produkcji, a więc i potencjalną dostępność dla pacjentów, ale przede wszystkim ze względu na możliwość dopasowania ich rozmiarów, kształtów i właściwości do indywidualnych potrzeb chorego.

Celuloza bakteryjna, która w ostatnich latach jest intensywnie testowana celem różnych zastosowań w medycynie, nie została jeszcze zbadana pod względem wpływu na regenerację tkanki nerwowej. Literatura naukowa wskazuje na możliwość produkcji celulozowych rurek, służących do rekonstrukcji żył oraz regeneracji nerwów, jednak nie istnieją konkretne wyniki oceniające faktyczną przydatność tego materiału w neuroregeneracji. Tymczasem bionanoceluloza, jako polimer elastyczny, o dużej wytrzymałości mechanicznej i niedegradowalny przez enzymy wykazuje niezwykłą biokompatybilność i wydaje się obiecującym materiałem w tego rodzaju leczeniu.

Pierwsze testy 

Doktoranci Zakładu Chirurgii Doświadczalnej Uniwersytetu Medycznego w Łodzi we współpracy z pracownikami Instytutu Biochemii Technicznej Politechniki Łódzkiej podjęli próbę stworzenia rurki o małym przekroju wykonanej z bakteryjnej celulozy.

Neurorurki wykonane z bionanocelulozy Neurorurki wykonane z bionanocelulozy.

foto: źródło: Kowalska-Ludwicka K, et al. Modified bacterial cellulose tubes for regeneration of damaged peripheral nerves. Arch Med Sci. 2013 Jun 20;9(3):527–34.

Opracowanie „Bionanocellulose neurotubes for regeneration of damaged peripheral nerves” (autorzy Ludwicka K., Kołodziejczyk M., Pasieka Z., Bielecki S.) zostało nagrodzone srebrnym medalem oraz wyróżnieniem na 11. Międzynarodowej Wystawie Wynalazków IWIS 2017

Korzystając z opracowanych wcześniej metod produkcji i modyfikacji błon celulozowych opracowano sposób wytworzenia neurotub o parametrach spełniających wymagania stawiane tego typu implantom. Łatwość zmiany rozmiaru rurek daje możliwość dopasowania ich wielkości do konkretnego przypadku.

Pierwsze testy in vivo na szczurach pokazują, iż osłonki celulozowe skutecznie przeciwdziałają powstawaniu nerwiaka w miejscu zespolenia nerwu, a wysoka biokompatybilność tego materiału pozwala na szybkie jego wgojenie i uzyskanie stabilnego połączenia z tkanką łączną.

Rurki celulozowe, wykonane z polimeru naturalnego i chemicznie czystego, wykazują nieporównywalnie lepszą kompatybilność biologiczną, niż polimery syntetyczne. To z pewnością stawia je w czołówce biomateriałów stosowanych w tego typu implantacjach. Jeśli dodać do tego niskie koszty produkcji, to implant taki mógłby z powodzeniem stać się bezkonkurencyjnym na rynku medycznym. Oczywiście do tego jeszcze długa droga. Nim bakterie na skalę przemysłową zaczną produkować osłonki nerwowe trzeba wykonać całą serię badań nad skutecznością ich działania. Dotychczasowe wyniki prac pozwalają mieć nadzieję, że osłonki produkowane przez bakterie staną się skuteczną i powszechnie dostępną bronią w walce z pourazowymi uszkodzeniami nerwów obwodowych.