Nowe urządzenie do implantacji może przywrócić funkcje w sparaliżowanych kończynach
Brytyjczycy opracowali implant mózgowy, który może przywrócić ruchy rąk i nóg poprzez zwiększenia połączeń między neuronami a sparaliżowanymi kończynami, dając nadzieję ofiarom wypadków.
Urządzenie łączy elastyczną elektronikę i ludzkie komórki macierzyste -” przeprogramowujące się” komórki główne organizmu – aby lepiej zintegrować się z nerwem i stymulować funkcje kończyn.
Poprzednie próby zastosowania implantów neuronowych w celu przywrócenia funkcji kończyny kończyły się przeważnie niepowodzeniem, ponieważ wokół elektrod z czasem tworzy się tkanka bliznowata, utrudniając połączenie urządzenia z nerwem. Poprzez umieszczenie warstwy przeprogramowanych komórek mięśniowych z komórek macierzystych pomiędzy elektrodami a żywą tkanką u szczurów, badacze odkryli, że urządzenie zintegrowało się z ciałem gospodarza i zapobiegło tworzeniu się tkanki bliznowatej.
Komórki przetrwały na elektrodzie przez czas trwania 28-dniowego eksperymentu. Był to pierwszy raz kiedy udało się to monitorować przez tak długi okres.
Naukowcy twierdzą, że łącząc dwie zaawansowane terapie regeneracji nerwów – terapię komórkową i bioelektronikę – w jednym urządzeniu, mogą pokonać wcześniejsze przeszkody w obu metodach, poprawiając funkcjonalność i czułość.
To było przedsięwzięcie wysokiego ryzyka i jestem bardzo zadowolony, że się udało – powiedział profesor George Malliaras z Wydziału Inżynierii w Cambridge, który współkierował badaniami. –To jedna z tych rzeczy, przy których nie wiesz, czy zajmie to dwa lata, czy dziesięć, zanim zadziała, ale skończyło się to bardzo sprawnie.
–Ten interfejs może zrewolucjonizować sposób, w jaki wchodzimy w interakcje z technologią. Łącząc żywe ludzkie komórki z materiałami bioelektronicznymi, stworzyliśmy system, który może komunikować się z mózgiem w bardziej naturalny i intuicyjny sposób, otwierając nowe możliwości dla protetyki, interfejsów mózg-maszyna, a nawet zwiększania zdolności poznawczych – powiedziała współautorka Amy Rochford, która pracowała w zespole profesora.
Choć zanim będzie można go zastosować u ludzi, potrzebne będą szeroko zakrojone badania i testy, urządzenie stanowi ważne ogniwo dla osób po amputacjach lub tych, którzy stracili funkcję w kończynach. Wyniki badań zostały opublikowane w tym miesiącu w czasopiśmie Science Advances.
Ogromnym wyzwaniem przy próbie odwrócenia takich urazów jest niezdolność neuronów do regeneracji i odbudowy zaburzonych obwodów nerwowych.
–Jeśli ktoś ma na przykład amputowaną rękę lub nogę, wszystkie sygnały w układzie nerwowym nadal istnieją, mimo że fizycznie kończyny już nie ma – powiedział dr Damiano Barone z Wydziału Neurologii Klinicznej w Cambridge, który współkierował badaniami. –Wyzwanie związane z integracją sztucznych kończyn lub przywróceniem funkcji rąk, lub nóg polega na wyodrębnieniu informacji z nerwu i przekazaniu jej do kończyny, tak aby przywrócić funkcję.
Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest wszczepienie nerwu w mięśnie główne ramienia i przymocowanie do niego elektrod. Problem z tym podejściem polega na tym, że wokół elektrody tworzy się tkanka bliznowata, a ponadto możliwe jest wydobycie z niej informacji tylko na poziomie powierzchni. Aby uzyskać lepszą rozdzielczość, każdy implant przywracający funkcję musiałby wydobyć z elektrod znacznie więcej informacji. Aby poprawić czułość, badacze chcieli zaprojektować coś, co mogłoby działać w skali pojedynczego włókna nerwowego, czyli aksonu.
–Akson sam w sobie ma maleńkie napięcie, ale kiedy połączy się z komórką mięśniową, która ma znacznie wyższe napięcie, sygnał z komórki mięśniowej jest łatwiejszy do wydobycia. To właśnie tam można zwiększyć czułość implantu – powiedział Barone.
Badacze zaprojektowali biokompatybilne, elastyczne urządzenie elektroniczne, które jest wystarczająco cienkie, aby można je było przymocować do końca nerwu. Następnie na elektrodzie umieszczono warstwę komórek macierzystych, przeprogramowanych w komórki mięśniowe. To pierwszy raz, kiedy ten rodzaj komórek macierzystych, zwanych indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi, został w ten sposób wykorzystany w żywym organizmie.
–Te komórki dają nam ogromny stopień kontroli – powiedział Barone. –Możemy powiedzieć im, jak mają się zachowywać i sprawdzać je przez cały czas trwania eksperymentu. Dzięki umieszczeniu komórek pomiędzy elektroniką a żywym organizmem, ciało nie widzi elektrod, widzi tylko komórki, więc nie powstaje tkanka bliznowata.
Biohybrydowe urządzenie Cambridge zostało wszczepione do sparaliżowanego przedramienia szczurów. Komórki macierzyste, które przed implantacją zostały przekształcone w komórki mięśniowe, zintegrowały się z nerwami w przedramieniu szczura. Chociaż szczurom nie przywrócono ruchu w przedramieniu, urządzenie było w stanie odebrać sygnały z mózgu, które kontrolują ruch. Gdyby połączyć je z resztą nerwów lub protezą kończyny, urządzenie mogłoby pomóc przywrócić ruch.
Warstwa komórek poprawiła również działanie urządzenia, poprzez zwiększenie rozdzielczości i umożliwienie długoterminowego monitorowania wewnątrz żywego organizmu. Komórki przetrwały przez 28-dniowy eksperyment: po raz pierwszy wykazano, że komórki są w stanie przetrwać przedłużony eksperyment tego rodzaju.
Oprócz potencjału w zakresie przywracania funkcji u osób, które utraciły możliwość korzystania z kończyny lub kończyn, badacze twierdzą, że ich urządzenie mogłoby być również wykorzystane do sterowania protezami kończyn poprzez interakcję z określonymi aksonami odpowiedzialnymi za kontrolę motoryczną.
–Ta technologia reprezentuje fascynujące nowe podejście do implantów neuronowych, które, jak mamy nadzieję, pozwoli odblokować nowe metody leczenia dla potrzebujących pacjentów – powiedział współautor, dr Alejandro Carnicer-Lombarte, również z Wydziału Inżynierii.
Naukowcy pracują teraz nad dalszą optymalizacją urządzeń i poprawą ich skalowalności. Zespół złożył wniosek patentowy przy wsparciu Cambridge Enterprise, ramienia Uniwersytetu zajmującego się transferem technologii, które również wspiera komercjalizację technologii.
Opracowanie: Agata Pałach, blog Nigdy za późno
Źródło: Good News Network