Robotyczne „kajdanki” na nerwy

Mogą łagodzić ból albo stymulować sparaliżowane kończyny

Naukowcy opracowali maleńkie, elastyczne urządzenia, które mogą owijać poszczególne włókna nerwowe, nie uszkadzając ich.

Naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge połączyli elastyczną elektronikę i techniki miękkiej robotyki, aby opracować urządzenia, które można wykorzystać do diagnozowania i leczenia szeregu zaburzeń, w tym epilepsji i przewlekłego bólu, lub kontroli protez kończyn.

Obecne narzędzia do łączenia się z nerwami obwodowymi – 43 parami nerwów ruchowych i czuciowych łączących mózg z rdzeniem kręgowym – są przestarzałe, nieporęczne i niosą ze sobą wysokie ryzyko uszkodzenia nerwów. Jednakże robotyczne „kajdanki” nerwowe opracowane przez zespół z Cambridge są wystarczająco czułe, aby chwytać lub owijać delikatne włókna nerwowe, nie powodując przy tym żadnych uszkodzeń.

Testy mankietów nerwowych na szczurach wykazały, że urządzenia wymagają jedynie niewielkich napięć, aby zmienić kształt w kontrolowany sposób, tworząc samozamykającą się pętlę wokół nerwów bez konieczności stosowania szwów chirurgicznych lub klejów.

Naukowcy twierdzą, że połączenie miękkich siłowników elektrycznych z neurotechnologią może być odpowiedzią na małoinwazyjne monitorowanie i leczenie szeregu schorzeń neurologicznych. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature .

Elektryczne implanty nerwowe można stosować do stymulacji lub blokowania sygnałów w docelowych nerwach. Na przykład mogą pomóc złagodzić ból poprzez blokowanie sygnałów bólowych lub można je wykorzystać do przywrócenia ruchu sparaliżowanych kończyn poprzez wysyłanie sygnałów elektrycznych do nerwów. Monitorowanie nerwów jest również standardową procedurą chirurgiczną podczas operacji w obszarach ciała zawierających duże stężenie włókien nerwowych, na przykład w pobliżu rdzenia kręgowego.

Implanty te umożliwiają bezpośredni dostęp do włókien nerwowych, ale wiążą się z pewnym ryzykiem. „Implanty nerwowe wiążą się z wysokim ryzykiem uszkodzenia nerwów” – powiedział profesor George Malliaras z Wydziału Inżynierii Uniwersytetu Cambridge, który kierował badaniami. „Nerwy są małe i bardzo delikatne, więc za każdym razem, gdy stykasz się z nimi czymś dużym, na przykład elektrodą, stanowi to zagrożenie dla nerwów”.

„Kajdanki nerwowe owijane wokół nerwów to najmniej inwazyjne implanty obecnie dostępne, ale mimo to są nadal zbyt nieporęczne, sztywne i trudne do wszczepienia, co wymaga znacznej obsługi i potencjalnego urazu nerwu” – powiedział współautor dr Damiano Barone z Cambridge’s Katedra Neurologii Klinicznej.

Naukowcy zaprojektowali nowy typ mankietu nerwowego wykonanego z polimerów przewodzących, zwykle stosowanego w miękkiej robotyce. Ultracienkie mankiety składają się z dwóch oddzielnych warstw. Podanie niewielkiej ilości prądu – zaledwie kilkuset miliwoltów – powoduje, że urządzenia pęcznieją lub kurczą się.

Mankiety są na tyle małe, że można je zwinąć w igłę i wstrzyknąć w pobliże docelowego nerwu. Po aktywacji elektrycznej mankiety zmienią swój kształt, aby owinąć wokół nerwu, umożliwiając monitorowanie lub zmianę aktywności nerwu.

„Aby zapewnić bezpieczne użytkowanie tych urządzeń wewnątrz ciała, udało nam się obniżyć napięcie wymagane do uruchomienia do bardzo niskich wartości” – powiedział dr Chaoqun Dong, pierwszy autor artykułu. „Jeszcze bardziej znaczące jest to, że te mankiety mogą zmieniać kształt w obu kierunkach i można je przeprogramowywać. Oznacza to, że chirurdzy mogą regulować stopień dopasowania urządzenia do nerwu, aż do uzyskania najlepszych wyników rejestracji i stymulacji nerwu”.

Testy na szczurach wykazały, że mankiety można z powodzeniem założyć bez operacji, tworząc samozamykającą się pętlę wokół nerwu docelowego. Naukowcy planują dalsze testowanie urządzeń na modelach zwierzęcych i mają nadzieję rozpocząć testy na ludziach w ciągu najbliższych kilku lat.

„Dzięki temu podejściu możemy dotrzeć do nerwów, do których trudno dotrzeć metodą otwartej operacji, takich jak nerwy kontrolujące ból, wzrok lub słuch, ale bez konieczności wszczepiania czegokolwiek do mózgu” – powiedział Barone. „Możliwość założenia mankietów tak, aby owinęły się wokół nerwów, sprawia, że ​​jest to znacznie łatwiejsza procedura dla chirurgów i mniej ryzykowna dla pacjentów”.

„Możliwość wykonania implantu, który może zmieniać kształt poprzez aktywację elektryczną, otwiera szereg przyszłych możliwości wysoce ukierunkowanych terapii” – powiedział Malliaras. „W przyszłości być może będziemy mogli mieć implanty, które będą mogły przemieszczać się po ciele, a nawet do mózgu. To sprawia, że ​​marzysz o tym, jak moglibyśmy wykorzystać technologię z korzyścią dla pacjentów w przyszłości”.

Badania były częściowo wspierane przez Szwajcarską Narodową Fundację Naukową, Cambridge Trust oraz Radę ds. Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi (EPSRC), stanowiącą część brytyjskiej organizacji ds. badań i innowacji (UKRI).

Źródło: materiały Uniwersytetu Cambridge, zdjęcie zajawka: rawpixel.com