Identifizierung der zellulären Mechanismen der traumatische Hirnverletzung ist eine neue Hoffnung für die Behandlung in Veterans Wounded durch Explosionen

Bio-Ingenieure an der Harvard haben festgestellt , zum ersten Mal , den Mechanismus für die diffusen axonalen Verletzungen und erklärt, warum zerebralen Vasospasmus ist häufiger bei HochbedingteHirnverletzungen als im Hirnverletzungen in der Regel durch Zivilisten gelitten.

Die Forschung befasst sich mit zwei wichtigen Aspekten der Schädelhirntrauma ( TBI) , mit erheblichen Auswirkungen auf die medizinische Behandlung von Soldaten, die von Explosionen verwundet.

Zwei Zeitungen , in den Zeitschriften veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS ) und PLoS One ,bieten die umfassendste Erklärung auf dem Laufenden , wie mechanische Kräfte können in subtil katastrophalen physiologischen Veränderungen in Nervenzellen im Gehirn und Gefäßsystem übersetzt werden.

"Diese Ergebnisse haben lange auf sich warten ", sagt Studienleiter Kevin Kit Parker, Professor für Bioengineering an der Harvard School of Engineering and Applied Sciences ( SEAS ) und Major der US-Armee. "So viele junge Männer und Frauen sind vom Militärdienst kehrte mit Hirnverletzungen , und wir wissen einfach nicht, wie man ihnen helfen kann. "

Wenn das Gehirn trifft auf einen Erschütterungen Kraft , wie eine explodierende Bombe am Straßenrand , die empfindliche Gewebe knallt gegen den Schädel . Das Ergebnis , wenn der Patient überlebt, kann ein vorübergehend Gehirnerschütterung Ein gefährlicher Blutung oder langfristig TBI , die sogar zu dem frühen Beginn der Parkinson oder Alzheimer Krankheiten führen kann.

Inspiriert von Parkers eigene militärische Erfahrung hat sich die Krankheit Biophysics Group ( bei SEAS und am Wyss Institut für Biologisch inspirierte Engineering an der Harvard -basiert) auf die Fahnen übernommen. Mit modernsten Techniken des Tissue Engineering - im Wesentlichen die Schaffung eines lebenden Gehirn auf einem Chip - Biologen, Physiker , Ingenieure und Materialwissenschaftler zusammenarbeiten, um Hirnverletzungen und mögliche Ziele für die Behandlung zu untersuchen.

Jetzt haben Forscher in seiner Gruppe den zellulären Mechanismus, der diffusen axonalen Schädigung initiiert und bietet dringend benötigte Richtung für die Forschung in therapeutische Anwendungen identifiziert.

Ihre Untersuchungen zeigen, daß Integrinen , Rezeptorproteine ​​in der Zellmembran verankert , gibt entscheidende Verbindung zwischen äußerer Kräfte und interne physiologischen Veränderungen .

Integrine verbinden die Bauteile innerhalb der Zelle (wie beispielsweise Actin und andere Zytoskelett- Proteine) mit der extrazellulären Matrix, die Zellen miteinander in das Gewebe bindet . Zusammenfassend wird diese Netzwerkstrukturmeldegeräteund als focal adhesion Komplex bezeichnet .

Parkers Forschung hat gezeigt, dass die durch eine Explosion freigesetzten Kräfte physisch stören die Struktur der focal adhesion komplexen und lösten eine Kettenreaktion von destruktiven molekularen Signale in den Nervenzellen des Gehirns.

Im Inneren des Neurons , Integrine in der Regel vermitteln die Aktivierung der Proteine ​​RhoA und Rho-Kinase (ROCK ) . Wenn die Brenn Adhäsionskomplexes gestört ist , geht der Rho- ROCK -Signalwegs drunter und drüber : er leitet die Motorprotein Aktin , um armartige Axonen der Zelle zurückziehen , dem Trennen der Neuronen untereinander und Kollabieren der Mobilfunknetze , die das Gehirn bilden .

"Unsere Forschung hat gezeigt, dass plötzliche mechanische Kräfte , wie sie von einer Druckwelle gezeigt und durch Integrine transduzierten kann in neuronalen Verletzungen zur Folge haben ", sagt Matthew A. Hemphill , der mit Borna Dabiri (SB 07 ) und Sylvain Gabriele , ist ein Blei-Autor des Papiers in PLoS One . Dabiri und Hemphill liegen noch Studenten an SEAS und Gabriele ist ein ehemaliges Postdoktorand in Parkers Labor.

Fügt Dabiri : " Erfreulich ist, dass wir auch festgestellt, dass die Behandlung des Nervengewebes mit HA -1077 , die eine ROCK -Hemmer ist , innerhalb der ersten 10 Minuten der Verletzung, reduzierte die Zahl der Schwer Schwellungen Wir denken, dass eine weitere Studie von ROCK Hemmung führen könnte. um lebensfähige Behandlungen in der nahen Zukunft. "

Eine zweite Forschungsrichtung in Parkers Labor hat eine weitere Rätsel in TBI gelöst , zu erklären, warum zerebralen Vasospasmus, eine gefährliche Umbau der Blutgefäße im Gehirn , tritt häufiger bei TBI durch Explosionen verursacht als bei anderen Arten von Hirn-Trauma .

"Bis jetzt , andere Forscher Blick auf TBI konzentrierte sich auf Ionenkanäle und Membran poration , und es wurde allgemein anerkannt, dass cerebralvasospasm wurde nur durch Blutungen verursacht werden. Es stellt sich heraus , dass es viel morecomplicated als das", sagt Patrick W. Alford , ein ehemaliger Postdoc Kerl in Parkers Labor und führen Autor des Papiers in PNAS . " Integrine und Rho- ROCK Signal scheinen die Spieler sowohl diffusen axonalen Verletzungen und Blutgefässverengungen zu sein."

Wie berichtet PNAS, Auf Arterien ausgeübten Kräfte sind während einer Explosivstoffdetonation als während stumpfe Gewalt Trauma anders. Subarachnoidalblutung , die in sehr schweren Kopfverletzungen auftreten können , ist bekannt, Vasospasmus verursachen, aber Parker neue Forschung zeigt, dass die einzigartige Kraft der Explosion kann auch Vasospasmus führen von selbst aus.

Die Explosion von einer Explosion erzeugt einen Anstieg der Blutdruck , Die die Wände der Blutgefäße im Gehirn erstreckt . Um dies zu untersuchen, Parkers Team von Bio-Ingenieure gebaut künstliche Arterien , Lebensgefäßzellenhergestellt und verwendet eine spezielle Maschine , schnell strecken , die Simulation einer Explosion . Während diese Strecken nicht offen schädigen die Zellstruktur : Es verursachte eine sofortige Überempfindlichkeit gegenüber dem Protein Endothelin-1 .

Endothelin-1 ist bekannt, Gefäßzellen zu stimulieren, um zu absorbieren Kalzium Ionen, die Aktin beeinflussen - dasselbe Protein in Einfahrrichtung der Axone beteiligt.

In den 24 Stunden nach der simulierten Explosion , die Gefäßgewebe hypercontract und durchlaufen eine vollständige phänotypischen Switch , die Gesamtfunktion des Gewebes zu beeinträchtigen. Beide diese Verhalten charakteristisch cerebraler Vasospasmus .

Am wichtigsten ist, wie in dem Nervengewebe spielt der Rho- ROCK -Signalweg eine wichtige Rolle bei dem Verhalten von Actin und der Zellen Kontraktion. Parkers Team stellte fest, dass die Hemmung der Rho bald nach der Verletzung können die schädlichen Auswirkungen der Explosion auf die Gehirngefäßsystemzu mildern.

"Wir haben einen Fuß zu fassen gegründet , wie wir versuchen, oben auf dieses Problem zu steigen ", sagt Parker. "In vielerlei Hinsicht ist diese Arbeit nur der Anfang. "

Hinweise:

Parkers Koautoren auf dem Papier in PLoS One sind Hemphill , derzeit an der Universität Mons in Belgien ; Dabiri , der in Parkers Labor als Student beganworking ; Gabriele , der jetzt an der Universität von Mons ; Lucas Kerscher , ein Gaststudium ; Christian Franck , früher ein Postdoctoral Fellow an der SEAS und jetzt an der Brown University ; Josue A. Goss, ein Personal -Ingenieur bei SEAS ; und Alford , der jetzt an der Universität ofMinnesota .

Parkers Koautoren auf dem Papier in PNAS sind Alford ; Dabiri ; Goss ; Hemphill ; und Mark D. Brigham , ein Doktorand in SEAS .

Die Krankheit Biophysik -Gruppe erhielt finanzielle Unterstützung von der Defense Advanced Research Projects Agency ( DARPA ) Verhinderung gewaltsamer Explosive Neurologische Trauma ( PREVENT ) Programm , das Department of Defense , und der Harvard School of Engineering and Applied Sciences ( SEAS ) .

Die Forscher stellten auch dankbar die Nutzung von Einrichtungen des Harvard Center for Nanoscale Systems , Mitglied der National Nanotechnology Infrastructure Network ( NNIN ), die von der National Science Foundation (NSF) finanziert wird, anzuerkennen.

Quelle:
Caroline Perry
Harvard University