Исследователи разработали новый тип нейронного имплантата, который может восстанавливать функции конечностей у людей с ампутированными конечностями и других людей, которые потеряли способность использовать свои руки или ноги.
В исследовании, проведенном на крысах, исследователи из Кембриджского университета использовали устройство для улучшения связи между мозгом и парализованными конечностями. Устройство сочетает в себе гибкую электронику и человеческие стволовые клетки — «перепрограммируемые» мастер-клетки организма — для лучшей интеграции с нервными и двигательными функциями конечностей.
Предыдущие попытки использовать нейронные имплантаты для восстановления функции конечностей в основном не увенчались успехом, поскольку со временем вокруг электродов образуется рубцовая ткань, препятствующая соединению между устройством и нервом. Поместив слой мышечных клеток, перепрограммированных из стволовых клеток, между электродами и живой тканью, исследователи обнаружили, что устройство интегрируется с телом хозяина и предотвращает образование рубцовой ткани. Клетки выживали на электроде в течение 28-дневного эксперимента, что впервые наблюдалось за такой длительный период.
Исследователи говорят, что, объединив два передовых метода лечения регенерации нервов — клеточную терапию и биоэлектронику — в одном устройстве, они могут преодолеть недостатки обоих подходов, улучшив функциональность и чувствительность.
Хотя потребуются обширные исследования и испытания, прежде чем его можно будет использовать на людях, устройство является многообещающей разработкой для людей с ампутированными конечностями или тех, кто потерял функцию конечности или конечностей. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Огромной проблемой при попытке обратить вспять травмы, которые приводят к потере конечности или потере функции конечности, является неспособность нейронов регенерировать и восстанавливать нарушенные нейронные цепи.
«Если у кого-то, например, ампутирована рука или нога, все сигналы в нервной системе все еще на месте, даже если физическая конечность исчезла», — сказал доктор Дамиано Бароне из Кембриджского отделения клинических неврологических наук, один из руководителей исследования. исследовать. «Проблема с интеграцией протезов или восстановлением функций рук или ног заключается в том, чтобы извлечь информацию из нерва и доставить ее в конечность, чтобы восстановить функцию».
Одним из способов решения этой проблемы является имплантация нерва в крупные мышцы плеча и прикрепление к нему электродов. Проблема с этим подходом заключается в том, что вокруг электрода образуется рубцовая ткань, к тому же с электрода можно извлечь информацию только на поверхностном уровне.
Чтобы получить лучшее разрешение, любой имплантат для восстановления функции должен был бы получать намного больше информации от электродов. И чтобы улучшить чувствительность, исследователи хотели разработать что-то, что могло бы работать в масштабе одного нервного волокна или аксона.
«Сам аксон имеет крошечное напряжение», — сказал Бароне. «Но как только он соединяется с мышечной клеткой, которая имеет гораздо более высокое напряжение, сигнал от мышечной клетки легче извлечь. Именно здесь вы можете повысить чувствительность имплантата».
Исследователи разработали биосовместимое гибкое электронное устройство, достаточно тонкое, чтобы его можно было прикрепить к концу нерва. Затем на электрод помещали слой стволовых клеток, перепрограммированных в мышечные клетки. Это первый случай, когда этот тип стволовых клеток, называемый индуцированной плюрипотентной стволовой клеткой, был использован таким образом в живом организме.
«Эти клетки дают нам огромную степень контроля», — сказал Бароне. «Мы можем говорить им, как себя вести, и проверять их на протяжении всего эксперимента. Помещая клетки между электроникой и живым телом, тело не видит электроды, оно видит только клетки, поэтому рубцовая ткань не образуется. .”
Кембриджское биогибридное устройство имплантировали в парализованное предплечье крыс. Стволовые клетки, которые перед имплантацией были преобразованы в мышечные клетки, интегрировались с нервами в предплечье крысы. В то время как у крыс не было восстановлено движение предплечий, устройство смогло уловить сигналы от мозга, которые контролируют движение. При подключении к остальной части нерва или протезу устройство может помочь восстановить движение.
Клеточный слой также улучшил работу устройства, улучшив разрешение и позволив осуществлять долгосрочный мониторинг внутри живого организма. Клетки выжили в течение 28-дневного эксперимента: впервые было показано, что клетки выживают в длительном эксперименте такого рода.
Исследователи говорят, что их подход имеет множество преимуществ по сравнению с другими попытками восстановить функцию у людей с ампутированными конечностями. В дополнение к простоте интеграции и долговременной стабильности, устройство достаточно маленькое, поэтому для его имплантации потребовалась бы только операция «замочная скважина». Другие технологии нейронных интерфейсов для восстановления функций у людей с ампутированными конечностями требуют сложных интерпретаций активности коры головного мозга, специфичных для пациента, которые должны быть связаны с движениями мышц, в то время как устройство, разработанное Кембриджем, представляет собой решение с высокой степенью масштабируемости, поскольку оно использует «готовые» клетки.
Исследователи говорят, что помимо возможности восстановления функций у людей, потерявших способность пользоваться конечностью или конечностями, их устройство можно также использовать для управления протезами конечностей путем взаимодействия со специфическими аксонами, отвечающими за двигательный контроль.
«Этот интерфейс может революционизировать то, как мы взаимодействуем с технологиями», — сказала соавтор Эми Рочфорд из инженерного отдела. «Объединив живые человеческие клетки с биоэлектронными материалами, мы создали систему, которая может общаться с мозгом более естественным и интуитивно понятным способом, открывая новые возможности для протезирования, интерфейсов мозг-машина и даже улучшая когнитивные способности».
«Эта технология представляет собой захватывающий новый подход к нейронным имплантатам, который, как мы надеемся, откроет новые методы лечения нуждающихся пациентов», — сказал соавтор доктор Алехандро Карнисер-Ломбарте, также из инженерного отдела.
«Это было очень рискованное предприятие, и я очень рад, что оно сработало», — сказал профессор Джордж Маллиарас из инженерного факультета Кембриджа, один из руководителей исследования. «Это одна из тех вещей, которые вы не знаете, пройдет ли это два года или десять, прежде чем она сработает, и в итоге это произошло очень эффективно».
В настоящее время исследователи работают над дальнейшей оптимизацией устройств и улучшением их масштабируемости. Команда подала патентную заявку на технологию при поддержке Cambridge Enterprise, подразделения университета по передаче технологий.
Технология основана на мышечных клетках с поддержкой Opti-oxTM. opti-ox — это технология точного клеточного перепрограммирования, которая обеспечивает точное выполнение генетических программ в клетках, что позволяет производить их последовательно в больших масштабах. Клеточные линии мышечных иПСК с поддержкой Opti-ox, используемые в эксперименте, были предоставлены лабораторией Коттера из Кембриджского университета. Технология перепрограммирования opti-ox принадлежит компании Bit.bio, занимающейся синтетической биологией.
Исследование было частично поддержано Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC), частью UK Research and Innovation (UKRI), Wellcome и исследовательской и инновационной программой Horizon 2020 Европейского Союза.
Эми Э. Рочфорд, Александр Батчер-Ломбарте, Малак Каван, Эми Джин, Сэм Хилтон, Винченцо Ф. Курто, Александра Л. Рутц, Томас Моро, Марк Р. Н. Коттер, Джордж Дж. Маллиарас, Дамиано Дж. Бароне.
Функциональное неврологическое восстановление ампутированного периферического нерва с использованием биогибридной регенеративной биоэлектроники.
Успехи науки, 2023 г., doi: 10.1126/sciadv.add8162
