Miękkie, automatyczne mankiety nerwowe mogą zrewolucjonizować leczenie schorzeń neurologicznych

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

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

Obecne narzędzia komunikacji z nerwami obwodowymi – 43 pary nerwów ruchowych i czuciowych łączących mózg i rdzeń kręgowy – są stare, 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 wrażliwe włókna nerwowe, nie powodując przy tym żadnych uszkodzeń.

Testy mankietów nerwowych na myszach wykazały, że urządzenia wymagają jedynie niewielkiego napięcia elektrycznego, aby zmienić kształt w kontrolowany sposób, tworząc samouszczelniający pierścień wokół nerwów bez konieczności stosowania szwów chirurgicznych ani klejów.

Naukowcy twierdzą, że połączenie miękkich siłowników elektrycznych i neurotechnologii może pomóc w monitorowaniu i leczeniu interwencyjnym szeregu schorzeń neurologicznych. Wyniki publikowane są w czasopiśmie Materiały natury.

Elektryczne implanty nerwowe można stosować do stymulacji lub blokowania sygnałów w docelowych nerwach. Na przykład mogą pomóc złagodzić ból poprzez blokowanie sygnałów bólowych lub mogą być stosowane do przywracania ruchu sparaliżowanych kończyn poprzez wysyłanie sygnałów elektrycznych do nerwów. Neuromonitoring jest również standardową procedurą chirurgiczną podczas wykonywania operacji na obszarach ciała o dużej koncentracji włókien nerwowych, na przykład w pobliżu rdzenia kręgowego.

Implanty te umożliwiają bezpośredni dostęp do włókien nerwowych, ale niosą ze sobą pewne ryzyko. Profesor George Malliaras z Wydziału Inżynierii Cambridge, który kierował badaniami, powiedział: „Przeszczepy nerwów niosą ze sobą wysokie ryzyko uszkodzenia nerwów. „Nerwy są małe i bardzo wrażliwe, więc za każdym razem, gdy stykasz się z nimi czymś dużym, na przykład elektrodą, stwarza to ryzyko dla nerwów”.

Mankiety nerwowe owijane wokół nerwów są najtańszymi obecnie dostępnymi implantami, ale mimo to są nadal bardzo nieporęczne, sztywne i trudne do wszczepienia, co wymaga znacznej obsługi i potencjalnego urazu nerwu.

Dr Damiano Barone, współautor z Katedry Neurologii Klinicznej na Uniwersytecie w Cambridge

Naukowcy zaprojektowali nowy typ mankietu neuronowego wykonanego z polimerów przewodzących, które są zwykle stosowane w miękkich robotach. Ultracienkie mankiety składają się z dwóch oddzielnych warstw. Podanie niewielkiej ilości prądu – zaledwie kilkuset miliwoltów – powoduje pęcznienie lub kurczenie się urządzeń.

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

„Aby zapewnić bezpieczne użytkowanie tych urządzeń wewnątrz ciała, byliśmy w stanie obniżyć napięcie wymagane do działania do bardzo niskich wartości” – powiedział dr Chaokun Dong, pierwszy autor badania. „Co najważniejsze, te mankiety mogą zmieniać kształt w obu kierunkach i można je przeprogramowywać. Oznacza to, że chirurdzy mogą dostosować stopień ciasności urządzenia wokół nerwu, aby uzyskać najlepsze wyniki rejestracji i stymulacji nerwu”.

Testy na myszach wykazały, że mankiety można z powodzeniem założyć bez operacji i że tworzą one samouszczelniający pierścień wokół docelowego nerwu. Naukowcy planują dalsze testowanie urządzeń na modelach zwierzęcych i mają nadzieję rozpocząć je w ciągu najbliższych kilku lat.

„Dzięki takiemu podejściu możemy uzyskać dostęp do nerwów, do których trudno dotrzeć podczas operacji otwartej, takich jak nerwy kontrolujące ból, wzrok lub słuch, ale bez konieczności wszczepiania czegokolwiek do mózgu” – powiedział Baron. „Możliwość ułożenia mankietów tak, aby owijały nerwy, sprawia, że ​​zabieg ten jest znacznie łatwiejszy dla chirurgów i mniej ryzykowny dla pacjentów”.

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

Badania te 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).