Zespół naukowców kierowany przez Northwestern University opracował mały, miękki, elastyczny implant, który łagodzi ból na żądanie i bez użycia leków. Pierwsze w swoim rodzaju urządzenie może stanowić bardzo potrzebną alternatywę dla opioidów i innych silnie uzależniających leków.
Biokompatybilne, rozpuszczalne w wodzie urządzenie działa poprzez delikatne owijanie nerwów, zapewniając precyzyjne, ukierunkowane chłodzenie, które znieczula nerwy i blokuje sygnały bólu do mózgu. Zewnętrzna pompa umożliwia użytkownikowi zdalne uruchomienie urządzenia, a następnie zwiększenie lub zmniejszenie jego intensywności. Gdy urządzenie nie jest już potrzebne, w naturalny sposób wchłania się do organizmu – omijając konieczność chirurgicznej ekstrakcji.
Naukowcy są przekonani, że urządzenie może być najbardziej wartościowe dla pacjentów, którzy przechodzą rutynowe operacje, a nawet amputacje, które zwykle wymagają stosowania leków pooperacyjnych. Chirurdzy mogliby wszczepić urządzenie podczas zabiegu, aby pomóc w radzeniu sobie z bólem pooperacyjnym pacjenta.
Badanie zostanie opublikowane w numerze czasopisma Science z 1 lipca. W pracy opisano konstrukcję urządzenia i przedstawiono jego skuteczność na modelu zwierzęcym.
„Chociaż opioidy są niezwykle skuteczne, są również niezwykle uzależniające” – powiedział John A. Rogers z Northwestern, który kierował rozwojem urządzenia. „Jako inżynierowie jesteśmy motywowani ideą leczenia bólu bez leków – w sposób, który można włączyć i wyłączyć natychmiast, z kontrolą użytkownika nad intensywnością ulgi. Opisana tutaj technologia wykorzystuje mechanizmy, które mają pewne podobieństwa do tych, które powodują drętwienie palców, gdy są zimne. Nasz implant pozwala na wywołanie tego efektu w sposób programowalny, bezpośrednio i lokalnie w docelowych nerwach, nawet tych znajdujących się głęboko w otaczających tkankach miękkich.
Rogers, pionier bioelektroniki, jest profesorem inżynierii materiałowej, inżynierii biomedycznej i chirurgii neurologicznej im. Louisa Simpsona i Kimberly Querrey w McCormick School of Engineering i Northwestern University Feinberg School of Medicine. Jest także dyrektorem-założycielem Instytutu Bioelektroniki Querrey Simpson. Jonathan Reeder, były doktor kandydat w laboratorium Rogersa, jest pierwszym autorem artykułu.
Jak to działa
Chociaż nowe urządzenie może brzmieć jak science fiction, wykorzystuje prostą, powszechną koncepcję, którą wszyscy znają: parowanie. Podobnie do sposobu, w jaki parujący pot chłodzi ciało, urządzenie zawiera płyn chłodzący, który jest pobudzany do parowania w określonym miejscu nerwu czuciowego.
„Kiedy schładzasz nerw, sygnały przechodzące przez nerw stają się coraz wolniejsze – w końcu całkowicie się zatrzymują” – powiedział współautor badania, dr Matthew MacEwan z Washington University School of Medicine w St. Louis. „Skupiamy się w szczególności na nerwach obwodowych, które łączą mózg i rdzeń kręgowy z resztą ciała. Są to nerwy, które przekazują bodźce czuciowe, w tym ból. Zapewniając efekt chłodzenia tylko jednemu lub dwóm nerwom docelowym, możemy skutecznie modulować sygnały bólu w jednym konkretnym obszarze ciała.”
Aby wywołać efekt chłodzenia, urządzenie zawiera maleńkie kanaliki mikroprzepływowe. Jeden kanał zawiera płynny płyn chłodzący (perfluoropentan), który jest już zatwierdzony klinicznie jako środek kontrastowy do ultradźwięków oraz do inhalatorów ciśnieniowych. Drugi kanał zawiera suchy azot, gaz obojętny. Gdy ciecz i gaz wpływają do wspólnej komory, zachodzi reakcja, która powoduje szybkie odparowanie cieczy. Jednocześnie niewielki zintegrowany czujnik monitoruje temperaturę nerwu, aby upewnić się, że nie jest on zbyt zimny, co mogłoby spowodować uszkodzenie tkanki.
„Nadmierne chłodzenie może uszkodzić nerw i delikatne tkanki wokół niego” – powiedział Rogers. „Czas trwania i temperatura chłodzenia muszą być zatem precyzyjnie kontrolowane. Monitorując temperaturę w nerwie, prędkość przepływu może być regulowana automatycznie, aby ustawić punkt, który blokuje ból w odwracalny, bezpieczny sposób. pełny zestaw progów czasu i temperatury, poniżej których proces pozostaje w pełni odwracalny.”
Moc precyzyjna
Podczas gdy inne terapie chłodzące i blokery nerwów zostały przetestowane eksperymentalnie, wszystkie mają ograniczenia, które nowe urządzenie przezwycięża. Wcześniej badacze badali na przykład krioterapie, w których wstrzykuje się igłę. Zamiast celować w określone nerwy, te nieprecyzyjne podejścia chłodzą duże obszary tkanki, potencjalnie prowadząc do niepożądanych skutków, takich jak uszkodzenie tkanki i stan zapalny.
W najszerszym miejscu maleńkie urządzenie Northwestern ma zaledwie 5 milimetrów szerokości. Jeden koniec jest zwinięty w mankiet, który miękko owija się wokół pojedynczego nerwu, omijając potrzebę szwów. Dzięki precyzyjnemu celowaniu tylko w dotknięty nerw, urządzenie oszczędza otaczające regiony przed niepotrzebnym chłodzeniem, które mogłoby prowadzić do skutków ubocznych.
„Nie chcesz przypadkowo ochłodzić innych nerwów lub tkanek niezwiązanych z nerwem przenoszącym bolesne bodźce” – powiedział MacEwan. „Chcemy zablokować sygnały bólowe, a nie nerwy, które kontrolują funkcje motoryczne i umożliwiają na przykład używanie ręki”.
Wcześniejsi badacze badali również blokery nerwów, które wykorzystują stymulację elektryczną do wyciszania bolesnych bodźców. Te również mają ograniczenia.
„Nie można wyłączyć nerwu za pomocą stymulacji elektrycznej bez wcześniejszej aktywacji” – powiedział MacEwan. „To może powodować dodatkowy ból lub skurcze mięśni i nie jest idealne z perspektywy pacjenta”.
Znikający akt
Ta nowa technologia jest trzecim przykładem bioresorbowalnych urządzeń elektronicznych z laboratorium Rogersa, które wprowadziło koncepcję elektroniki przejściowej w 2012 roku, opublikowanym w Science. W 2018 roku Rogers, MacEwan i współpracownicy zademonstrowali pierwsze na świecie bioresorbowalne urządzenie elektroniczne – biodegradowalny implant przyspieszający regenerację nerwów, opublikowany w Nature Medicine. Następnie, w 2021 r., Rogers i współpracownicy wprowadzili rozrusznik atransient, opublikowany w Nature Biotechnology.
Wszystkie elementy urządzeń są biokompatybilne i naturalnie wchłaniają się w biopłyny organizmu w ciągu dni lub tygodni, bez konieczności chirurgicznej ekstrakcji. Urządzenia bioresorbowalne są całkowicie nieszkodliwe – podobnie jak szwy wchłanialne.
Przy grubości kartki papieru miękkie, elastyczne urządzenie do chłodzenia nerwów jest idealne do leczenia bardzo wrażliwych nerwów.
„Jeśli myślisz o tkankach miękkich, delikatnych nerwach i ciele, które jest w ciągłym ruchu, każde urządzenie łączące musi mieć zdolność do łatwego i naturalnego zginania, zginania, skręcania i rozciągania” – powiedział Rogers. „Ponadto chciałbyś, aby urządzenie po prostu zniknęło, gdy nie jest już potrzebne, aby uniknąć delikatnych i ryzykownych zabiegów chirurgicznego usuwania”.
Badanie „Miękkie, bioresorbowalne chłodnice do odwracalnej blokady przewodzenia nerwów obwodowych” było wspierane przez Campus Phil and Penny Knight for Acceleating Scientific Impact, Querrey Simpson Institute for Bioelectronics oraz National Science Foundation (numer nagrody CMM1635443).