Regulierung des Schwann-Zellwachstums durch ein gepulstes elektrisches Feld im Nanosekundenbereich für die periphere Nervenregeneration in vitro

Jedes Jahr sind Millionen von Menschen von Nervenverletzungen betroffen^, die sowohl das periphere Nervensystem (PNS) als auch das zentrale Nervensystem (ZNS) betreffen1. Studien haben gezeigt, dass die axonale Reparaturkapazität des ZNS nach Nervenverletzungen recht begrenzt ist, während das PNS aufgrund der signifikanten Plastizität von SCs eine erhöhte Kapazität aufweist². Dennoch ist die vollständige Regeneration nach Verletzungen peripherer Nerven nach wie vor schwierig und stellt nach wie vor eine erhebliche Herausforderung für die menschliche Gesundheit^{dar 3,4}. Heutzutage sind Autotransplantate trotz der Nachteile der Morbidität an der Spenderstelle und der begrenzten Verfügbarkeit eine gängige Behandlung geblieben⁵. Diese Situation hat Forscher dazu veranlasst, alternative Therapien zu erforschen, darunter die Materialien⁶, die molekularen Faktoren⁷ und die elektrische Stimulation (ES). Als Faktor, der das axonale Wachstum und die Nervenregeneration fördert⁸, ist die Wahl einer geeigneten Methode der ES und die Erforschung der Beziehung zwischen ES und SC unerlässlich.

SCs sind die wichtigsten Gliazellen des PNS und spielen eine entscheidende Rolle bei der Regeneration des PNS ^9,10. Nach peripheren Nervenverletzungen durchlaufen SCs eine schnelle Aktivierung, eine umfangreiche Reprogrammierung² und einen Übergang von einem myelinbildenden Zustand zu einer wachstumsfördernden Morphologie, um die Regeneration des Nervs^{durchzuführen 2}. Eine substantielle Proliferation von SCs tritt am distalen Ende des verletzten Nervs auf, während SCs des distalen Stumpfes eine Proliferation und Dehnung erfahren, um das Bungner-Band zu bilden, das notwendig ist, um Axone zum Wachstum in Richtung des Zielorgans zu leiten¹¹. Darüber hinaus wandern SCs aus den proximalen und distalen Nervenstümpfen in die Nervenbrücke, um SC-Stränge zu bilden, die die Axonregeneration fördern¹². Darüber hinaus haben frühere Studien gezeigt, dass sich die Synthese und Sekretion relevanter Faktoren, die mit SCs zusammenhängen, bei der peripheren Nervenregeneration ändern, einschließlich der transkriptionellen Faktoren¹³, der neurotrophen Faktoren¹⁴ und der Myelinisierungsregulatoren¹³. Dies liefert auch Indikatoren für die Beurteilung der Aktivität von SCs. Basierend auf diesen wurde die Förderung der SC-Proliferation, Migration, Synthese und Sekretion relevanter Faktoren zur Verbesserung der peripheren Nervenregeneration umfassend untersucht¹⁵.

Frühere Studien haben die Möglichkeit des Einsatzes von ES zur Nervenregeneration gezeigt¹. Eine weithin akzeptierte Erklärung ist, dass ES die Depolarisation von Zellmembranen induzieren, das Membranpotenzial verändern und die Funktionen von Membranproteinen beeinflussen kann, indem es die Ladungsverteilungen auf diesen Biomolekülen verändert¹. Weit verbreitetes intensives PEF kann jedoch starke Schmerzen, unwillkürliche Muskelkontraktionen und Herzflimmern verursachen⁸. Es erhöht auch die Aktivität der Kreatinkinase (CK), verringert die Muskelkraft und induziert die Entwicklung von verzögert einsetzendem Muskelkater (DOMS)¹⁶. nsPEF ist eine aufstrebende Technik, die Probanden innerhalb einer Nanosekunden-Pulsdauer mit elektrischen Hochspannungsfeldern stimuliert und nach und nach in der Forschung auf zellulärer Ebene eingesetzt wird^17,18. Frühere Studien haben berichtet, dass die mögliche Begründung dafür, dass nsPEF die Zellproliferation und Organellenaktivität fördert, die Bildung von Membran-Nanoporen und die Aktivierung von Ionenkanälen ist, was zu einem Anstieg der zytoplasmatischen Ca2⁺-Konzentration führt¹⁹. nsPEF nutzt die Pulsleistungstechnologie, um die Zellmembran aufzuladen und Pulse zu erzeugen, die sich durch kurze Dauer, schnelle Anstiegszeit, hohe Leistung und niedrige Energiedichte^{auszeichnen 20}. Diese Eigenschaften deuten darauf hin, dass nsPEF ein bevorzugter Modus mit minimalen Stimulationsnebenwirkungen sein könnte⁸. Darüber hinaus bietet nsPEF im Vergleich zu chirurgischen Eingriffen Vorteile wie minimalinvasive Eingriffe, Reversibilität, Anpassbarkeit und Zerstörungsfreiheit des Nervengewebes. Eine Hauptforschungsrichtung von nsPEF im biomedizinischen Bereich ist seine Anwendung für die Ablation von Tumorgewebe unter Verwendung der Stimulation hochenergetischer elektrischer Felder 21,22,23. Einige Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass 12-nsPEF periphere Nerven stimulieren kann, ohne Schäden zu verursachen²⁴. Derzeit gibt es jedoch nur begrenzte Evidenz für die Anwendung von nsPEF im Bereich der Nervenregeneration. Darüber hinaus ist die Stimulation von SCs mit nsPEF ein Pionierversuch, der zu weiterer In-vivo– und klinischer Forschung beiträgt. In dieser Studie wird untersucht, ob die nsPEF-Stimulation von SCs die Nervenregeneration fördern und eine verlässliche Grundlage für nachfolgende vertiefte und systematische Forschungen bieten kann.