Важная победа над природой: как скоро можно будет чинить спинной мозг

В течение ближайшего десятилетия ожидается прорыв, который облегчит положение людей с ограниченными возможностями, а может даже полностью решит проблему восстановления нервных связей и возвращения подвижности парализованным конечностям.

Проблема

Наши нервные клетки образуют сложные сети, которые непрерывно обмениваются информацией с мозгом. В свою очередь, спинной мозг является «магистральной линией» этой коммуникационной сети и к тому же берет на себя часть двигательных функций, управляет некоторыми процессами жизнедеятельности. Сам спинной мозг весит всего 30-35 грамм, имеет диаметр около 1 см и длину 40-45 см. В сравнении со многими другими органами, спинной мозг просто крохотный, но, тем не менее, он исключительно важен.

Разорванные периферические нервные цепи способны регенерировать и вновь соединятся, хотя и в ограниченных пределах. Проще говоря, если пучок нервных волокон перерезать сверхтонким скальпелем, то нервные волокна довольно быстро прорастут навстречу друг другу и соединятся. Правда соединятся, скорее всего, не все клетки – не все «разлученные» аксоны найдут друг друга. Из-за этого пучок нервных волокон немного уменьшит свою пропускную способность, однако при небольшом порезе пальца вряд ли проявятся какие-либо побочные эффекты. Но спинной мозг выполняет намного более сложные функции, чем простые периферические нейронные пути, поэтому травма позвоночника приводит к тяжелым последствиям, например повреждение самых крупных двигательных нейронов приводит к параличу ниже места травмы.

Существуют перспективные технологии по «сплавлению» нейронов, например с помощью полиэтиленгликоля (PEG) или полисахарида хитозана. В ходе многочисленных лабораторных экспериментов, проводимых с 1999 года, эти вещества, введенные точно в место повреждения позвоночника, смогли частично восстановить функциональность спинного мозга. В частности в 2000 году был проведен эксперимент на свиньях, в ходе которого в спинной мозг животного спустя 8 часов после травмы ввели PEG. В результате удалось восстановить до 90% от изначальной проводимости спинного мозга и частично вернуть животным подвижность.

Проблема этих, казалось бы очень успешных, экспериментов в том, что в них позвоночник травмируется сверхострыми лезвиями, что радикально ускоряет процесс сращивания аксонов, особенно в присутствии PEG или стволовых клеток. В реальности травмы мозга обычно связанны с обширным повреждением нервной ткани позвоночника, с гибелью участков протяженностью в 0,5-1 см. Полностью соединить такой разрыв нервных путей ученые до сих пор не могут.

Поиск решения

Казалось бы, при нынешнем уровне развития техники «перебросить» набор электрических импульсов от одного нервного пучка к другому не очень сложно. К сожалению, имплантация и присоединение электродов ко множеству нейронов спинного мозга еще долгое время будет фантастикой и гораздо перспективнее найти способ «заставить» организм самостоятельно излечить травму. Определенные успехи в этой области уже есть.

В ноябре 2012 года команда ученых из Кембриджа и Центра регенеративной медицины Университета Эдинбурга опубликовала результаты эксперимента по исцелению подопытных собак с тяжелым повреждением спинного мозга.

Ученые проводили опыты на 34 собаках, в основном на таксах. Уникальность этих экспериментов в том, что они были максимально приближены к тем условиям, что могут возникнуть в реальных случаях травм у людей. Другими словами, были взяты обычные домашние собаки, которые в различное время получили травмы позвоночника, связанные с разрывом нервных путей и потерей части нервных клеток. После травм собаки в течение 12 месяцев и более не могли использовать свои задние ноги и потеряли чувствительность задней части туловища. Надо отметить, что у такс часто возникают такие же повреждения спинного мозга, как и у людей: связанные со смещением позвонков относительно друг друга.

Для лечения собак применили перспективную технологию имплантации обкладочных нейроэпителиальных клеток (OEC). Эти клетки находятся в носу и обладают свойствами нейральных стволовых клеток, то есть могут превращаться в нейроны. Впервые нейральные стволовые клетки из слизистой оболочки носа взрослого человека выделили в 2001 году, что стало важнейшим достижением, поскольку из носа добывать нейральные стволовые клетки относительно просто.

Собак разделили на две группы: одной ввели стволовые клетки непосредственно в место травмы позвоночника, а вторая группа была контрольной и получила плацебо. Через месяц собак в специальном поддерживающем корсете отправили на беговую дорожку для проверки функций конечностей.

Собаки, которым трансплантировали собственные нейральные стволовые клетки из слизистой оболочки носа, вновь смогли управлять задними конечностями

Группа собак, получившая инъекции OEC, продемонстрировала значительные улучшения: парализованные задние конечности начали двигаться, причем начала появляться скоординированность движений с передними ногами. Это означает, что стволовые клетки восстановили часть нервных путей и через поврежденную часть спинного мозга начали проходить сигналы. К сожалению, исследования показали, что восстановление происходит только на коротких расстояниях – при небольшой ширине разрыва между участками спинного мозга. Больше всего повезло тем собакам, у которых были нарушены связи между близкорасположенными нейронами, что соответствует тонкому хирургическому разрезу или несильному сдвигу позвонков. Тем не менее, уже это является большим достижением. Один из хозяев собаки, отмечает, что это похоже на чудо: «До инъекции наш пес Джаспер не мог ходить и ползал, волоча задние ноги, а теперь он носится вокруг нашего дома и не отстает от других собак».

В настоящее время ученые работают над созданием матриц, которые «укажут» клеткам OEC куда надо расти, чтобы восстановить связь в позвоночнике. Подобная технология сможет обеспечить восстановление нейронных связей даже при потере большого количества нейронов, как бывает, например, в случае компрессионных переломов.

Пока идет работа над полным излечением травм спинного мозга, ученые из Case Western Reserve University и клиники Кливленда пытаются хотя бы частично улучшить состояния людей с очень серьезными повреждениями нервной ткани. В случае с обширной потерей нейронов пока почти нет надежды на полное исцеление, но для пациентов было бы большим облегчением восстановить хотя бы частичную функциональность парализованной части туловища.

Успехи в этой области уже есть, и они весьма существенные. Американским ученым удалось восстановить у подопытных крыс контроль над мочевым пузырем, причем потеря контроля произошла в результате серьезной травмы позвоночника: полного перерезания позвоночного столба с массивной потерей нейронов.

С помощью двух десятков нервных волокон ученые соединили разорванный спинной мозг. На рисунке видны нервные волокна и тонкий металлический проводок, защищающий новое нервное соединение от обрыва

Ученые не ставили перед собой задачу полностью вернуть подопытным мышам подвижность – это было невозможно при такой серьезной травме. Вместо этого была проделана кропотливая работа по пересадке нервной ткани из груди крыс в место повреждения в позвоночнике. Спустя много месяцев нейроны, подпитанные специальными химическими веществами и факторами роста, смогли прорасти навстречу разорванным участкам спинного мозга и соединить его через огромный по медицинским меркам разрыв шириной более 5 мм. В итоге получилось тонкое, всего в примерно 20 нервных волокон, соединение, которое, конечно, не могло полностью восстановить функциональность спинного мозга.

Тем не менее, впоследствии, мыши восстановили некоторый контроль над потерянными функциями организма, в частности смогли контролировать мочевой пузырь. Потенциально, данная методика может помочь восстановить множество других функций, в частности 2 года назад с ее помощью у крыс с менее тяжелыми повреждениями мозга восстановили контроль над дыхательными мышцами. Возможно, в перспективе с помощью подобной технологии все же можно будет ремонтировать обширные повреждения спинного мозга и полностью восстанавливать его функциональность.

Также, в мае 2012 года ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны сообщили об открытии совершенно нового пути лечения травм позвоночника. Эксперименты на крысах показали, что в случае травмы нижняя часть позвоночника, отделенная от головного мозга, может взять на себя управление движением нижних конечностей. Это удивительно, ведь в нормальных условиях движениями тела управляет головной мозг. Тем не менее, оказывается, что и спинной мозг хранит «воспоминания» о том, какие сигналы нужно выдавать конечностям для ходьбы и бега.

В ходе экспериментов ученые вводили крысам химический раствор агонистов рецепторов моноаминов, который вызывает клеточный ответ путем связывания с рецепторами допамина, адреналина и серотонина в нейронах спинного мозга. Весь этот «коктейль» заменяет нейротрансмиттеры, присутствующие в здоровом спинном мозге и активизирует нейроны, контролирующие движения нижней части тела.

Изолированный участок поврежденного спинного мозга почти сразу «вспомнил», как надо управлять конечностями, и подопытная крыса смогла двигать ногами

Через 5-10 минут после инъекции ученые стимулировали спинной мозг подопытной крысы электрическим током через электроды, имплантированные в эпидуральное пространство. Данная стимуляция возбуждает химически активированные нейроны, в результате чего нижний участок поврежденного спинного мозга «думает», что он все еще подсоединен к головному мозгу. Разумеется, головной мозг при этом никаких сигналов не посылает, но изолированный участок спинного мозга начинает действовать «по старой памяти», позволяя ранее парализованным мышам двигаться. Преимущество данной технологии в том, что она работает при любой ширине разрыва спинного мозга и восстанавливает подвижность очень быстро. В настоящее время ученые исследуют возможность применения данной технологии для лечения людей.

Победа над природой

В случае с лечением травм позвоночника, человечество борется с жестокой «несправедливостью» природы. Наши периферические нервы (в мышцах, органах) пускай медленно, но могут восстанавливаться. Например отрезанный палец можно пришить, и он начнет восстанавливать чувствительность и подвижность по мере срастания периферических нервов.

Но нервы в головном мозге и спинном мозге такой возможностью почему-то не обладают. Если их серьезно повредить (ножом, пулей, сильным ударом и т.п.) и затем оставить в покое, нервные пути не будут восстанавливаться – человек станет инвалидом. Ученые пока не понимают, почему так происходит, возможно из-за чрезвычайной сложности спинного и головного мозга, но скорее всего из-за эволюционных «предубеждений». Дело в том, что живой организм в дикой природе все равно не сможет выжить в течение многих месяцев, а может и лет пока спинной или головной мозг восстанавливаются – парализованное животное просто не сможет добывать пищу или станет жертвой хищника. Но люди – разумные существа и не должны мириться с несправедливостью эволюции. Поэтому в ближайшие десятилетия наверняка появятся технологии, частично или полностью восстанавливающие даже тяжелые повреждения нервной системы.

Владимир Никитин