إصابة الدماغ المؤلمة هي سبب رئيسي للوفاة والإعاقة في العالم. تمثل صدمة القوة الصريحة في الدماغ ، وغالبًا ما تكون من سقوط سيء أو حادث مرور ، وفاة أكثر من 61000 أمريكي كل عام. أكثر من 80،000 سوف يطور بعض الإعاقة طويلة الأجل.
في حين أن الكثير من تلف الدماغ الفيزيائي يحدث على الفور – يطلق عليه المرحلة الأولية من الإصابة – يمكن أن ينتج عن أضرار إضافية في الدماغ عن العمليات الكيميائية المدمرة التي تنشأ في دقائق الجسم إلى أيام إلى أسابيع بعد التأثير الأولي. على عكس المرحلة الأساسية من الإصابة ، يمكن منع هذه المرحلة الثانوية من خلال استهداف الجزيئات التي تقود أضرارا.
أنا مهندس علوم المواد ، وزملائي وأنا أعمل على تصميم علاجات لتحييد ضرر إصابة الدماغ المؤلمة الثانوية وتقليل التنكس العصبي. لقد قمنا بتصميم مادة جديدة يمكن أن تستهدف وتحييد جزيئات ضيقة الدماغ في الفئران ، مما يحسن شفائها المعرفي وتقديم علاج جديد محتمل للأشخاص.
تداعيات الكيمياء الحيوية
يمكن للمرحلة الأساسية من إصابة الدماغ المؤلمة أن تضر بشدة وحتى تدمير حاجز الدم في الدماغ-وهي واجهة تحمي الدماغ عن طريق الحد من ما يمكن أن يدخله.
يؤدي تعطيل هذا الحاجز إلى تدمير الخلايا العصبية أو الجهاز المناعي لإطلاق بعض المواد الكيميائية التي تؤدي إلى عمليات كيميائية حيوية مدمرة. تحدث إحدى العمليات التي تسمى السمية الإثارة عندما يُسمح بالكثير من أيونات الكالسيوم في الخلايا العصبية ، مما يؤدي إلى تنشيط الإنزيمات التي تزيد من خلايا الحمض النووي وتلفها ، مما يسبب الوفاة. عملية أخرى ، التهاب الأعصاب ، ناتجة عن تنشيط الخلايا التي تسمى الخلايا الدبقية الصغيرة التي يمكن أن تؤدي إلى التهاب في المناطق التالفة من الدماغ.
تنتج عمليات المرحلة الثانوية هذه أيضًا جزيئات ضارة تسمى أنواع الأكسجين التفاعلية. هذه الجزيئات ، والتي تشمل الجذور الحرة ، تعديل كيميائيا وتشويه البروتينات الأساسية في الخلايا ، مما يجعلها عديمة الفائدة. يمكنهم أيضًا كسر خيوط الحمض النووي ، مما يؤدي إلى طفرات وراثية محتملة.
إذا تركت دون رادع ، فإن الضرر من هذا الإجهاد التأكسدي يمكن أن يكون له عواقب مدمرة على الصحة على المدى الطويل والشفاء العصبي. لقد ربط الباحثون التغييرات الكيميائية الحيوية والمنتجات الثانوية الناتجة عن سلسلة الجزيئات الضارة لتطوير اضطرابات عصبية طويلة الأجل مثل الزهايمر ، باركنسون و ALS ، من بين أمور أخرى.
ومع ذلك ، فإن المركبات التي تسمى مضادات الأكسدة يمكن أن تستهدف هذا الإجهاد التأكسدي وتحسين الانتعاش المعرفي العصبي على المدى الطويل من خلال التفاعل كيميائيًا مع أنواع الأكسجين التفاعلية بطريقة يمكن أن تحيد خصائصها الضارة.
العثور على مضادات الأكسدة المثالية
لقد درست أنا وفريقي ما إذا كان أحد مضادات الأكسدة يسمى مجموعة ثيول يمكن أن يساعد في علاج إصابة الدماغ المؤلمة.
مجموعات الثيول هي مركبات كيميائية تحتوي على ذرة الكبريت المرتبطة بذرة الهيدروجين. ذرات الكبريت أكبر بكثير من ذرات الهيدروجين ، مما يعني أن ذرة الكبريت في ثيول لديها سحب قوي على إلكترون ذرة هيدروجين وحيد. هذا يضعف الرابطة بين الهيدروجين وإلكترونه ، مما يسمح للهيدروجين بالتخلي بسهولة عن إلكترونه إلى ذرات أخرى.
نتيجة لذلك ، تتفاعل الثيول بسهولة مع العديد من أنواع الأكسجين التفاعلية المختلفة ، بما في ذلك تلك التي تضر الحمض النووي. لقد اخترنا ثيولز ليس فقط لخصائصها المضادة للأكسدة ، ولكن أيضًا لقدرتها على ربط وتحييد جزيئات الإسلام الأخرى التي تسمى منتجات بيروكسيد الدهون. تتشكل هذه المركبات السمية العصبية كمنتجات ثانوية عندما تتلف أنواع الأكسجين التفاعلية الدهون في الجسم.
للحصول على هذه الثيول في الجسم ، قمنا بدمجها في مواد تسمى البوليمرات. هذه سلاسل طويلة من الجزيئات العضوية المصنوعة من وحدات فردية تسمى المونومرات. للحصول على المونومرات للربط معًا ، يبدأ الإلكترون الوحيد – أو الجذور الحرة – رابطة مع مونومر ، مما يؤدي إلى تفاعل سلسلة. فكر في هذه العملية مثل ضرب سلسلة من الدومينو: دفع يدك (الجذور الحرة في هذه الحالة) يضرب الدومينو (المونومر) ثم يقرع بعد ذلك بقية الدومينو لتشكيل خط (البوليمر).
نظرًا لأن الثيول يمكن أن يمنع عملية البلمرة هذه ، فقد اضطررنا إلى صنع مونومر مع مجموعة حماية يسمى يمكن إزالتها كيميائيًا بعد البلمرة لتصبح ثيولنا. نظرًا لأن حمض A-lipoic ، وهو مكمل شائع موجود في الصيدليات ، يحتوي على مجموعة حماية ثيول ، استخدمناها لصنع مونومر لدينا.
ثم صنعنا سلسلة من هذه المونومرات ذات الطوافة ، وهي عملية محكومة يمكن من خلالها تصميم البوليمرات لترك الجسم من خلال البول. للقيام بذلك ، يمكن إضافة مونومر مشترك قابل للذوبان في الماء إلى السلسلة ، مما يسمح للبوليمر بالذوبان في مجرى الدم.
أخيرًا ، تعاملنا مع البوليمرات لإزالة مجموعة الحماية ، وإنتاج البوليمرات الثيول جاهزة لمزيد من الاختبارات.
اختبار على TBI
بعد ذلك ، اختبرنا مدى جودة البوليمرات الثيول التي تحييد أنواع الأكسجين التفاعلية.
أولاً ، استخدمنا تقنية تسمى القياس الطيفي المرئي للأشعة فوق البنفسجية ، والتي تضيء ليزر في عينة خلية تحتوي على كل من جزيئات البوليمر والدماغ. إذا كانت هناك أنواع أكسجين تفاعلية موجودة في العينة ، فسيتم امتصاص الضوء إلى الحد الأدنى. ولكن إذا كان البوليمر الخاص بنا يحيد هذه المركبات ، فسيتم امتصاص الضوء بشكل كبير. من خلال هذه الدراسات ، وجدنا أن بوليمر ثيول لدينا تحييد أنواع الأكسجين التفاعلية مثل بيروكسيد الهيدروجين بنسبة تصل إلى 50 ٪ ، وغيرها من جزيئات السمية العصبية مثل الأكرولين بنسبة تصل إلى 100 ٪ ، وبالتالي حماية الخلايا العصبية من التلف.
أجرينا اختبارات إضافية من خلال تعريض بروتينات الفلورسنت للجذور الحرة ، ووجدنا أن البروتينات التي لم تعالج مع بوليمرات الثيول لدينا تم تدميرها. استمرت البروتينات التي عولجت إلى الفلورسنت ، مما يشير إلى أن بوليمر الثيول لدينا تحييد الجذور الحرة وحماية البروتين.
أخيرًا ، حققنا بوليمرات الثيول في الفئران المصابة بإصابة في الدماغ. أظهرت فحوصات الدماغ أن بوليمرنا لم يتركز بنجاح في المنطقة التالفة من الدماغ فحسب ، بل وفرت أيضًا حماية فورية من مزيد من الإصابات. تمكنت بوليمر ثيول لدينا من تقليل أنواع الأكسجين التفاعلية في الفئران المصابة إلى 3 ٪ فقط على المستويات العادية الموجودة في الفئران غير المصابة. كانت الفئران غير المعالجة المصابة بإصابة في الدماغ مؤلمة زيادة بنسبة 45 ٪ مقارنة بالفئران غير المصابة.
العمل المستقبلي على بوليمرات ثيول
تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى أن هذه البوليمرات الثيول قد تكون بمثابة علاج محتمل للمرحلة الثانوية من إصابة الدماغ المؤلمة. يمكن أن يساعد الاختبار الإضافي في تحديد ما إذا كانت هذه المادة يمكن أن تقلل من خطر الإعاقة على المدى الطويل.
نقوم حاليًا بتطوير عملية رخيصة لدمج الثيول مع الجسيمات النانوية الصغيرة. قد يساعد هذا في زيادة عدد الثيول في المادة مع تحسين قدرتها على الدوران في مجرى الدم لحماية أطول.
هناك حاجة إلى العديد من الدراسات الإضافية في الحيوانات لتأكيد فعالية موادنا في علاج إصابة الدماغ المؤلمة. إذا استمرت نتائجنا إيجابية ، فإننا نهدف إلى اختبار فعالية موادنا في الأشخاص من خلال التجارب السريرية. نأمل أن تتمكن هذه العلاجات من تحسين النتائج طويلة الأجل لضحايا حوادث السيارات أو السقوط أو حتى الإصابات المتعلقة بالرياضة في الدماغ.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: آرون بريستر ، جامعة ميسوري للعلوم والتكنولوجيا
اقرأ المزيد:
تلقى آرون بريستر تمويلًا من المعاهد الوطنية للصحة.