Sujet: Nanotubes de carbone aident les cellules souches à se développer dans le cerveau

[TDelrieu]

Vendredi 22 Septembre 2006
Échafaudages de Nanotubes pour les implants neuraux
Les minuscules fibres de carbone aident les cellules souches à se développer dans les cerveaux lésés par attaque cérébrale.

Les cellules souches sont une thérapie prometteuse pour l’attaque cérébrale et d'autres lésions du cerveau - elles peuvent croître dans les neurones sains et peuvent rétablir l'activité du cerveau dans les patients. Tandis que la recherche animale préliminaire est prometteuse, il y a souvent un obstacle commun : les cellules souches adultes poussent un moment dans les zones lésées puis tendent à migrer vers des régions plus saines du cerveau.

Cela s’explique, indique Thomas Webster, professeur d’engineering à la Brown University, parce que les neurones sains émettent des protéines qui attirent des cellules souches loins des secteurs malades et inactifs. Ce qui est nécessaire est une "ancre" pour maintenir des cellules souches fixées dans les zones lésées, où elles peuvent alors se différencier en neurones fonctionnels, dit-il.

Webster, et ses collaborateurs en Corée-du-Sud, ont trouvé une ancre possible sous la forme de nanotubes de carbone : les fibres minuscules et fortement conductrices de carbone agissent non seulement en tant qu'échafaudages, aidant les cellules souches à s’enraciner dans les secteurs malades, mais semblent également jouer un rôle actif dans la différentiation des cellules souches en neurones.

Comment ceci fonctionne n'est pas clair, mais les chercheurs disent que leurs résultats préliminaires pourraient être utilisés un jour dans un dispositif d’implantation de cellules souches pour la thérapie des lésions cérébrales. Webster a présenté ce mois-ci les résultats de l'équipe au meeting de l’American Chemical Society à San Francisco.

Avant cette expérience, Webster avait expérimenté les propriétés des nanotubes de carbone en tant que matériau d'implant neural possible. Puisque les nanotubes sont fortement conducteurs, ils sont une matrice idéale pour transmettre les signaux électriques aux neurones. En 2004, Webster pouvait stimuler des neurones pour faire croître de multiples fibres nerveuses le long des nanotubes de carbone. L'étude a attiré l'attention de chercheurs coréens, qui ont proposé une collaboration : Pourquoi ne pas employer des nanotubes de carbone comme matrice pour des cellules souches adultes pour qu’elles se développent en neurones ? L'équipe a donc injecté ce nano-cocktail directement dans les régions lésées de cerveaux de rats.

Afin de déterminer à quel point les deux thérapies fonctionnent ensemble, l'équipe a comparé les effets des injections des cellules souches et des nanotubes avec des groupes contrôles injectés seulement avec des cellules souches adultes ou bien des nanotubes de carbone. Après une et trois semaines, les chercheurs ont sacrifié les rats et ont examiné les zones malades de leurs cerveaux. Chez les rats qui avaient reçu seulement des cellules souches adultes, les cellules ont eu tendance à s’éloigner vers des régions plus saines du cerveau. Mais les rats qui avaient reçu des nanotubes et des cellules ont montré une nouvelle croissance neurale dans les régions lésées du cerveau en seulement une semaine.

Les chercheurs ne savent pas ce qui fait de ces nanotubes de carbone une matrice si efficace pour des cellules souches - ou comment ils aident les cellules souches à se différencier. Mais Webster indique qu’une réponse probable aux deux questions est la laminine, une glycoprotéine dans la matrice extracellulaire du cerveau qui dirige la génèse des cellules nerveuses saines. La surface des nanotubes de carbone ressemble à la forme ovale de la laminine, et une recherche précédente a prouvé que les nanotubes attirent et absorbent facilement la laminine. La laminine, alternativement, a un ordre d'acide aminé qui attire les cellules souches, les stimulant à se différencier en neurones. Pour ces raisons, les nanotubes peuvent servir de dispositifs pro-actifs de livraison des cellules souches.

"Des mécanismes qui favorisent la neurogénèse et la récupération fonctionnelle sont les clefs du succès dans le traitement de la lésion cérébrale," dit Cindi Morshead, professeur d'anatomie à University of Toronto, qui étudie des thérapies à base de cellules souches. Morshead voit les résultats de Webster comme une étape potentiellement importante ; cependant, elle avertit également qu'il y a beaucoup de chemin à faire avant que de tels traitements soient prouvés efficaces . "C'est une chose de faire de nouveaux neurones, mais c'est une question différente de créer des cellules fonctionellement intégrées dans les réseaux existants et qui peuvent favoriser la réparation du cerveau et le rétablissement comportemental," dit-elle.

Dans de futurs essais, l'équipe de Webster examinera les effets comportementaux sur une plus longue période de temps, pour voir si les nouveaux neurones dans des secteurs malades restent et forment des connexions durables et fonctionnelles. Ils compareront également les matrices de nanotube aux matrices faites de silicium et d'autres polymères. Webster suspecte que les nanotubes aient un avantage par rapport au silicium parce que les surfaces externes des nanotubes ressemblent aux protéines et aux tissus normaux dans le cerveau, empêchant ainsi le corps de les rejeter et de former autour un tissu de cicatrice.


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Friday, September 22, 2006
Nanotube Scaffolds for Neural Implants
Tiny carbon fibers are helping stem cells to grow in stroke-damaged brains.
By Jennifer Chu

Stem cells are a promising therapy for stroke and other brain injuries--they can sprout into healthy neurons and may be able to re-establish brain activity in brain-injured patients. While preliminary animal research shows promise, there's often a common hurdle: adult stem cells have a hard time growing in damaged areas and tend to migrate to healthier regions of the brain.

That makes sense, says Thomas Webster, associate professor of engineering at Brown University, because healthy neurons emit proteins that attract stem cells away from diseased, inactive areas. What's needed is an "anchor" to keep stem cells fixed to the damaged areas, where they can then differentiate into working neurons, he says.

Webster and his collaborators in South Korea found a possible anchor in carbon nanotubes: tiny, highly conductive carbon fibers that not only act as scaffolds, helping stem cells stay rooted to diseased areas, but also seem to play an active role in turning stem cells into neurons.

Just how this works isn't clear, but the researchers say their initial results could someday be engineered into a stem cell delivery device for stroke therapy. Webster presented the team's findings at the American Chemical Society meeting this month in San Francisco.

Prior to this experiment, Webster had been experimenting with the properties of carbon nanotubes as possible neural implant material. Since nanotubes are highly conductive, they're an ideal template for transmitting electrical signals to neurons. In 2004, Webster was able to stimulate neurons to grow multiple nerve endings along carbon nanotubes. The study attracted the attention of South Korean stroke researchers, who proposed a collaboration: Why not use carbon nanotubes as a template for adult stem cells to grow into neurons? Taking it one step further, the team injected this nano-cocktail directly into the stroke-damaged brain regions of rats.

In order to determine how well the two therapies work together, the team compared the effects of injections of both stem cells and nanotubes with control groups injected with only adult stem cells or carbon nanotubes. After one and three weeks, researchers sacrificed the rats and examined the diseased areas of their brains. In rats who had received only adult stem cells, the cells tended to stray to healthier regions of the brain. But rats given both nanotubes and cells showed new neural growth in stroke-damaged brain regions in as little as a week.

Researchers aren't sure what makes carbon nanotubes such an effective template for stem cells--or how they help stem cells differentiate. But Webster says a likely answer to both questions is laminin, a glycoprotein in the brain's extracellular matrix that directs the generation of healthy nerve cells. The surface of carbon nanotubes resembles the elongated shape of laminin, and previous research has shown that nanotubes easily attract and adsorb laminin. Laminin, in turn, has a key amino acid sequence that attracts stem cells, stimulating them to turn into neurons. For these reasons, nanotubes may serve as pro-active delivery devices for stem cells.

"Mechanisms that promote neurogenesis and functional recovery are the keys to success in treating stroke," says Cindi Morshead, professor of anatomy at the University of Toronto, who studies stem cell therapies for stroke. Morshead sees Webster's findings as a potentially important step; however, she also cautions that there's a long way to go before such treatments are proven effective. "It is one thing to make new neurons, but it is entirely a different issue to create cells that are functionally integrated into existing networks that can promote brain repair and behavioral recovery," she says.

In future trials, Webster's team will examine behavioral effects over a longer time period, to see if new neurons in diseased areas stay and form long-lasting, functional connections. They will also compare nanotube templates with templates made of silicon and other polymers. Webster suspects that nanotubes will have an advantage over silicon because nanotubes' outer surfaces resemble natural proteins and tissues in the brain, preventing the body from rejecting them and forming scar tissue.

Todd Pappas, director of the Sensory and Molecular Neuroengineering Department at the University of Texas Medical Branch, who studies signaling neurons and nanotubes, says he thinks nanotubes will eventually be incorporated into prosthetic devices. "But we're still in the near term, and we've got to see what these materials do in the long term," he says.


Source : http://www.technologyreview.com/read_article.aspx?id=17525&ch=biotech