Travail de réparation nerveux

Dans un laboratoire de l'Université de Pennsylvanie, un plat en plastique contient deux rangées de minuscules points noirs, des paires reliées par des dizaines de filaments fins ressemblant à des cheveux. Chaque point est un groupe de milliers de neurones, explique Douglas Smith, professeur de neurochirurgie et directeur du Penn's Center for Brain Injury and Repair. Les fibres qui s'étendent entre elles comprennent en fait des milliers d'axones, de longues et minces projections qui conduisent les impulsions électriques loin du corps central de chaque neurone. Ces faisceaux – chacun étant un nerf conçu en laboratoire – représentent des ponts physiques qui, espère Smith, aideront des chercheurs comme lui à réparer des blessures auparavant irréparables.

Au Center for Brain Injury and Repair de l'Université de Pennsylvanie, le professeur de neurochirurgie Douglas Smith utilise la tension mécanique pour accélérer la croissance des implants qu'il espère réparer les lésions nerveuses.

Lorsque des sections de nerfs du corps sont sectionnées ou écrasées, elles meurent. Bien que les nerfs puissent se régénérer, ils le font au rythme glaciaire d'environ un millimètre par jour. Et il y a un autre hic : à mesure que les nouveaux axones se développent, ils ont besoin de la gaine nerveuse d'origine - une membrane protectrice composée de plusieurs types de cellules - pour les guider vers la zone qui a perdu sa fonction. Cette gaine commence à se désintégrer après environ trois mois sans nerf vivant à l'intérieur. C'est une course contre la montre, dit Smith. Un nerf sectionné, disons, le poignet peut couvrir la courte distance jusqu'à la main et guérir à temps pour restaurer la fonction. Cependant, si le même nerf était coupé près de l'épaule, la personne perdrait presque certainement l'usage complet de cette main, car la nouvelle croissance n'atteindrait pas la main avant la mort de la gaine.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2010

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Même les techniques expérimentales les plus avancées n'ont pas réussi à restaurer la fonction nerveuse dans des sites éloignés d'une blessure. Smith pensait qu'il pourrait faciliter la régénération nerveuse rapide en utilisant des nerfs cultivés en laboratoire comme une sorte d'échafaudage que les médecins pourraient placer là où le nerf d'un patient est mort. Bien que le nerf implanté ne transmette pas de signaux lui-même, la présence du tissu vivant pourrait guider le nerf en régénération du corps vers le site de la blessure tout en gardant intacte la gaine nerveuse détachée.

Pour que les nerfs artificiels se développent suffisamment longtemps pour couvrir la zone blessée au moment où ils ont été transplantés, il a appliqué une légère tension physique augmentant progressivement; ce processus, a-t-il découvert, encourageait les nerfs à croître presque 100 fois plus vite que les scientifiques l'avaient cru possible. Et les nerfs sont devenus non seulement plus longs mais aussi plus épais, apparemment parce que des protéines supplémentaires se forment en réponse à la tension. Smith et son équipe ont introduit ces nerfs artificiels chez des rats dont une partie des nerfs des pattes avait été coupée. En quatre mois, alors que les nerfs naturels commençaient à se régénérer dans le corps des rats, les greffes avaient aidé à guider ces nerfs à travers les gouffres, rétablissant avec succès la fonction des pattes des rats.

L'étirer
Pour effectuer les longues greffes nerveuses, Smith et son équipe collectent d'abord des neurones sensoriels, des cellules qui transmettent des informations au cerveau, à partir de la moelle épinière de rats fœtaux. Le technicien de recherche Kevin Browne pipette ensuite une protéine rose gélatineuse appelée collagène sur deux films adjacents dans une chambre spécialement construite. De la taille d'une boîte à chaussures, il abrite un appareil d'étirement constitué d'un bloc vertical fixé à des tiges métalliques. L'un des petits films transparents, appelé membrane de remorquage, est suspendu à une extrémité par le bloc et se courbe presque jusqu'à la base de la chambre, où il chevauche la deuxième membrane. Browne place un ensemble de neurones dans le collagène sur la membrane de remorquage et un autre sur la membrane inférieure. À ce stade, les deux groupes sont distants de moins de 100 micromètres, soit une largeur de deux cheveux. Il place l'ensemble de l'installation dans un incubateur bourdonnant qui fonctionne à 37 °C, imitant la température interne d'un rat.

Le lendemain, Browne goutte une solution d'enzymes et d'autres protéines sur les membranes à l'aide d'une pipette ; la solution encourage les neurones à germer des axones. Lentement, un axone d'un seul neurone atteint et forme une connexion synaptique avec un neurone situé en face. Après environ cinq jours, les axones se sont solidement connectés à leurs neurones voisins et Browne attache les tiges de la chambre à un moteur contrôlé par ordinateur. Le moteur éloigne la membrane de remorquage de la membrane inférieure à une vitesse variable qui a été déterminée par essais et erreurs.

Après environ trois à cinq jours d'augmentation progressive de la tension, l'équipe peut commencer à étirer les axones aussi rapidement qu'un centimètre par jour (environ 100 fois la vitesse à laquelle les nerfs en régénération se développent dans le corps), bien que les greffes plus courtes puissent être étirées plus lentement. .

Travaux de réparation
Après environ une semaine d'étirement lent, Browne sort la boîte d'élongation de l'incubateur. Il utilise une pipette pour ajouter plus de collagène, qui agit comme une colle molle, sur les cellules. Ensuite, il enroule les fibres nerveuses et les neurones attachés hors des films. Avec des pinces microscopiques, Browne laisse tomber le nouveau nerf, maintenant d'environ un centimètre de long, dans un tube en forme de paille qui a été fendu dans le sens de la longueur. Le tube, fait d'un matériau biodégradable qui se dissout à l'intérieur du corps, sert de gaine nerveuse synthétique. Browne le suture ou le colle solidement fermé avec le nerf à l'intérieur.

Dans les expériences initiales conçues pour tester la capacité de la greffe à réparer les lésions nerveuses, Smith enlève environ un centimètre du nerf sciatique d'un rat, qui traverse les fesses et le long de l'arrière de chaque jambe jusqu'à la cheville et le pied, transmettant des messages de la moelle épinière à les différents muscles des jambes. Il place ensuite le tube dans l'espace où se trouvait le nerf. À l'aide de forceps, il pousse doucement un moignon de la gaine du nerf sciatique du rat dans chaque extrémité du tube et le scelle avec de la colle de fibrine. Sans l'implant en place, la partie de la gaine nerveuse sous la coupure dégénérerait et le rat perdrait le mouvement de cette jambe. Les nerfs cultivés en laboratoire fournissent une voie vivante pour la régénération, encourageant les propres neurones moteurs du rat à se développer dans la bonne direction et maintenant la gaine en vie.

Smith dit que dans des tests effectués sur plus de 40 rats, son groupe a réussi à presque 100 % à restaurer la capacité des animaux à marcher. Lorsque les chercheurs ont disséqué ces rats, ils ont découvert que de nouveaux axones s'étaient développés à partir de leur moelle épinière et s'étaient entrelacés avec les nerfs transplantés. Les neurones à l'intérieur des tubes avaient également donné naissance à de nouveaux axones qui s'étendaient hors du tube dans les deux sens et se mêlaient davantage aux propres axones en régénération des rats.

Smith et son équipe pensent que des implants nerveux plus longs pourraient aider à réparer des blessures plus étendues ; jusqu'à présent, le nerf le plus long qu'ils ont développé mesure environ 10 centimètres. Ils ont également montré que le processus d'étirement fonctionne sur les neurones humains provenant de donneurs d'organes. Smith espère commencer à tester les implants d'origine humaine chez des patients souffrant de lésions nerveuses au cours des deux prochaines années.

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