Małe, elastyczne urządzenie elektroniczne owinięte wokół rdzenia kręgowego może stanowić nowe podejście do leczenia urazów kręgosłupa, które mogą powodować głęboką niepełnosprawność i paraliż.
Zespół inżynierów, neuronaukowców i chirurgów z Uniwersytetu w Cambridge opracował urządzenia i wykorzystał je do rejestrowania sygnałów nerwowych przesyłanych tam i z powrotem między mózgiem a rdzeniem kręgowym. W przeciwieństwie do obecnych podejść, urządzenia Cambridge mogą rejestrować informacje 360 stopni, dając pełny obraz aktywności rdzenia kręgowego.
Testy na żywych modelach zwierząt i zwłok ludzkich wykazały, że urządzenia mogą również stymulować ruchy kończyn i omijać całkowite uszkodzenia rdzenia kręgowego, w których komunikacja między mózgiem a rdzeniem kręgowym została całkowicie przerwana.
Większość obecnych metod leczenia urazów kręgosłupa obejmuje zarówno przekłuwanie rdzenia kręgowego elektrodami, jak i umieszczanie implantów w mózgu, co jest operacją wysokiego ryzyka. Urządzenia opracowane w Cambridge mogą umożliwić leczenie urazów kręgosłupa bez konieczności operacji mózgu, co byłoby znacznie bezpieczniejsze dla pacjentów.
Chociaż do wprowadzenia takich metod leczenia potrzeba jeszcze co najmniej kilku lat, naukowcy twierdzą, że urządzenia te mogą w najbliższej przyszłości okazać się przydatne do monitorowania aktywności rdzenia kręgowego podczas operacji. Lepsze zrozumienie rdzenia kręgowego, który jest trudny do zbadania, może prowadzić do ulepszonych metod leczenia szeregu schorzeń, w tym przewlekłego bólu, stanów zapalnych i nadciśnienia. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Science Advances.
„Rdzeń kręgowy jest jak autostrada przenosząca informacje w postaci impulsów nerwowych do i z mózgu” – powiedział profesor George Malliaras z Wydziału Inżynierii, który był współkierownikiem badań. „Uszkodzenie rdzenia kręgowego powoduje przerwanie ruchu, co skutkuje głęboką niepełnosprawnością, w tym nieodwracalną utratą funkcji sensorycznych i motorycznych”.
Możliwość monitorowania sygnałów docierających do i z rdzenia kręgowego może radykalnie pomóc w opracowaniu metod leczenia urazów kręgosłupa, a także może być przydatna w bliższej perspektywie do lepszego monitorowania rdzenia kręgowego podczas operacji.
„Większość technologii monitorowania lub stymulacji rdzenia kręgowego oddziałuje jedynie z neuronami ruchowymi wzdłuż tylnej lub grzbietowej części rdzenia kręgowego” – powiedział dr Damiano Barone z Wydziału Neurologii Klinicznej, który był współkierownikiem badań. „Te podejścia mogą obejmować jedynie od 20 do 30 procent kręgosłupa, więc uzyskujemy niekompletny obraz”.
Czerpiąc inspirację z mikroelektroniki, naukowcy opracowali sposób uzyskiwania informacji z całego kręgosłupa poprzez owijanie wokół obwodu rdzenia kręgowego bardzo cienkich implantów o wysokiej rozdzielczości. Po raz pierwszy możliwe jest bezpieczne nagrywanie 360 stopni rdzenia kręgowego – wcześniejsze podejścia do monitorowania 360 stopni wykorzystywały elektrody wkłuwające się w kręgosłup, co może spowodować uszkodzenie kręgosłupa.
Opracowane przez Cambridge biokompatybilne urządzenia – o grubości zaledwie kilku milionowych metra – są wykonane przy użyciu zaawansowanej fotolitografii i technik osadzania cienkowarstwowego, a do działania wymagają minimalnej mocy.
Urządzenia przechwytują sygnały przemieszczające się po aksonach, czyli włóknach nerwowych rdzenia kręgowego, umożliwiając rejestrację sygnałów. Cienkość urządzeń oznacza, że mogą rejestrować sygnały bez powodowania uszkodzeń nerwów, ponieważ nie przenikają one do samego rdzenia kręgowego.
„To był trudny proces, ponieważ nigdy wcześniej nie wykonywaliśmy implantów kręgosłupa w ten sposób i nie było jasne, czy możemy bezpiecznie i skutecznie umieścić je wokół kręgosłupa” – powiedział Malliaras. „Ale dzięki niedawnym postępom zarówno w inżynierii, jak i neurochirurgii planety dostosowały się do siebie i poczyniliśmy znaczne postępy w tej ważnej dziedzinie”.
Urządzenia wszczepiono w ramach adaptacji do rutynowego zabiegu chirurgicznego, tak aby można było je wsunąć pod rdzeń kręgowy bez jego uszkodzenia. W testach na modelach szczurów badacze z powodzeniem wykorzystali urządzenia do stymulacji ruchu kończyn. Urządzenia wykazywały bardzo małe opóźnienia – to znaczy ich czas reakcji był zbliżony do ludzkiego ruchu odruchowego. Dalsze testy na modelach zwłok ludzkich wykazały, że urządzenia można z powodzeniem umieszczać u ludzi.
Naukowcy twierdzą, że ich podejście może zmienić sposób leczenia urazów kręgosłupa w przyszłości. Obecne próby leczenia urazów kręgosłupa obejmują zarówno implanty mózgu, jak i kręgosłupa, ale badacze z Cambridge twierdzą, że implanty mózgowe mogą nie być konieczne.
„Jeśli ktoś ma uraz kręgosłupa, jego mózg jest w porządku, ale to połączenie zostało przerwane” – powiedział Barone. „Jako chirurg chcesz dotrzeć tam, gdzie leży problem, więc dodanie operacji mózgu do operacji kręgosłupa tylko zwiększa ryzyko dla pacjenta. Wszystkie potrzebne informacje z rdzenia kręgowego możemy zebrać w znacznie mniej inwazyjny sposób, więc byłoby to znacznie bezpieczniejsze podejście do leczenia urazów kręgosłupa.”
Chociaż leczenie urazów kręgosłupa wymaga jeszcze wielu lat, w bliższej perspektywie urządzenia mogą okazać się przydatne dla badaczy i chirurgów, aby w nieinwazyjny sposób mogli dowiedzieć się więcej o tej istotnej, choć niedostatecznie zbadanej części anatomii człowieka. Naukowcy z Cambridge planują obecnie wykorzystanie tych urządzeń do monitorowania aktywności nerwów w rdzeniu kręgowym podczas operacji.
„Badanie całego rdzenia kręgowego bezpośrednio u człowieka było prawie niemożliwe, ponieważ jest on tak delikatny i złożony” – powiedział Barone. „Monitorowanie podczas operacji pomoże nam lepiej zrozumieć rdzeń kręgowy bez jego uszkadzania, co z kolei pomoże nam opracować lepsze terapie na schorzenia takie jak przewlekły ból, nadciśnienie czy stany zapalne. Takie podejście pokazuje ogromny potencjał pomocy pacjentom”.
Badania były częściowo wspierane przez Royal College of Surgeons, Akademię Nauk Medycznych, Health Education England, Narodowy Instytut Badań nad Zdrowiem oraz Radę ds. Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi (EPSRC), część brytyjskiej organizacji ds. badań i innowacji (UKRI ).