Sviluppato un impianto piccolo, morbido e flessibile che allevia il dolore su richiesta e senza l'uso di farmaci. Il primo dispositivo nel suo genere potrebbe fornire un'alternativa tanto necessaria agli oppioidi e ad altri farmaci che creano dipendenza
I dispositivi impiantabili in grado di bloccare in maniera mirata e reversibile l'attività dei nervi periferici possono fornire alternative agli oppioidi per il trattamento del dolore. Il raffreddamento locale rappresenta un mezzo interessante per l'eliminazione su richiesta dei segnali di dolore, ma le tecnologie tradizionali sono limitate da fattori di forma rigidi e ingombranti; raffreddamento impreciso; e requisiti per gli interventi di estrazione.
Il dispositivo biocompatibile e solubile in acqua funziona avvolgendo delicatamente i nervi per fornire un raffreddamento preciso e mirato, che intorpidisce i nervi e blocca i segnali del dolore al cervello. Una pompa esterna consente all'utente di attivare a distanza il dispositivo e quindi aumentarne o diminuirne l'intensità. Dopo che il dispositivo non è più necessario, viene naturalmente assorbito dal corpo, bypassando la necessità di un'estrazione chirurgica.
I ricercatori della Northwestern University ritengono che il dispositivo abbia il potenziale per essere il più prezioso per i pazienti sottoposti a interventi chirurgici di routine o addirittura ad amputazioni che richiedono comunemente farmaci postoperatori. I chirurghi potrebbero impiantare il dispositivo durante la procedura per aiutare a gestire il dolore post-operatorio del paziente.
Lo studio, che è stato pubblicato dalla rivista Science, (1) descrive il design del dispositivo e ne dimostra l'efficacia in un modello animale.
Il dottor John A. Rogers della Northwestern, (2) che ha guidato lo sviluppo del dispositivo, afferma: «Sebbene gli oppioidi siano estremamente efficaci, creano anche una forte dipendenza. Come ingegneri, siamo motivati dall'idea di trattare il dolore senza farmaci, in modi che possono essere attivati e disattivati all'istante, con il controllo dell'utente sull'intensità del sollievo. La tecnologia qui riportata sfrutta meccanismi che hanno alcune somiglianze con quelli che provocano l'intorpidimento delle dita quando sono fredde. Il nostro impianto consente di produrre quell'effetto in modo programmabile, direttamente e localmente sui nervi mirati, anche quelli profondi all'interno dei tessuti molli circostanti».
Pioniere della bioelettronica, John A. Rogers svolge l'attività di docente presso il Louis A. Simpson and Kimberly K. Querrey Biomedical Research Center. Inoltre, egli insegna anche ingegneria biomedica e chirurgia neurologica presso la McCormick School of Engineering (3) e la Northwestern University Feinberg School of Medicine. (4) Egli è direttore e fondatore del Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. (5) Il dottor Jonathan Reeder, (6) un ex dottorato di ricerca candidato al laboratorio di Rogers, è il primo autore dell'articolo.
Come funziona
Sebbene il nuovo dispositivo possa sembrare fantascienza, sfrutta un concetto semplice e comune che tutti conoscono: l'evaporazione. Simile a come l'evaporazione del sudore raffredda il corpo, il dispositivo contiene un liquido di raffreddamento che viene indotto ad evaporare nella posizione specifica di un nervo sensoriale.
«Man mano che si raffredda un nervo, i segnali che viaggiano attraverso il nervo diventano sempre più lenti, fino a fermarsi completamente», ha detto il coautore dello studio, il dottor Matthew MacEwan (7) della Washington University School of Medicine di St. Louis. «Stiamo mirando specificamente ai nervi periferici, che collegano il tuo cervello e il tuo midollo spinale al resto del tuo corpo. Questi sono i nervi che comunicano gli stimoli sensoriali, incluso il dolore. Fornendo un effetto rinfrescante a uno o due nervi mirati, possiamo modulare efficacemente i segnali del dolore in una specifica regione del corpo».
Per indurre l'effetto di raffreddamento, il dispositivo contiene minuscoli canali microfluidici. Un canale contiene il liquido di raffreddamento (perfluoropentano), già clinicamente approvato come mezzo di contrasto per ultrasuoni e per inalatori pressurizzati. Un secondo canale contiene azoto secco, un gas inerte. Quando il liquido e il gas fluiscono in una camera condivisa, si verifica una reazione che fa evaporare prontamente il liquido. Allo stesso tempo, un minuscolo sensore integrato monitora la temperatura del nervo per assicurarsi che non si raffreddi troppo, il che potrebbe causare danni ai tessuti.
«Un raffreddamento eccessivo può danneggiare il nervo e i tessuti fragili che lo circondano», ha detto John A. Rogers. «La durata e la temperatura del raffreddamento devono quindi essere controllate con precisione. Monitorando la temperatura del nervo, le portate possono essere regolate automaticamente per impostare un punto che blocchi il dolore in modo reversibile e sicuro. Il lavoro in corso cerca di definire l'intera serie di soglie di tempo e temperatura al di sotto delle quali il processo rimane completamente reversibile».
Potenza di precisione
Mentre altre terapie di raffreddamento e bloccanti nervosi sono stati testati sperimentalmente, tutti hanno limitazioni che il nuovo dispositivo supera. In precedenza i ricercatori hanno esplorato le crioterapie, ad esempio, che vengono iniettate con un ago. Invece di prendere di mira nervi specifici, questi approcci imprecisi raffreddano vaste aree di tessuto, portando potenzialmente a effetti indesiderati come danni ai tessuti e infiammazioni.
Nel suo punto più largo, il minuscolo dispositivo della Northwestern è largo solo 5 millimetri. Un'estremità è arrotolata in un bracciale che avvolge delicatamente un singolo nervo, bypassando la necessità di suture. Mirando con precisione solo al nervo interessato, il dispositivo risparmia le regioni circostanti da un raffreddamento non necessario, che potrebbe causare effetti collaterali.
«Non vuoi raffreddare inavvertitamente altri nervi o i tessuti che non sono correlati al nervo che trasmette gli stimoli dolorosi», ha detto Matthew MacEwan. «Vogliamo bloccare i segnali del dolore, non i nervi che controllano la funzione motoria e consentono, ad esempio, di usare la mano».
Precedenti ricercatori hanno anche esplorato i bloccanti nervosi che utilizzano la stimolazione elettrica per silenziare gli stimoli dolorosi. Anche questi hanno dei limiti.
«Non puoi spegnere un nervo con la stimolazione elettrica senza prima attivarlo», ha detto Matthew MacEwan. «Ciò può causare ulteriore dolore o contrazioni muscolari e non è l'ideale, dal punto di vista del paziente».
Atto di scomparsa
Questa nuova tecnologia è il terzo esempio di dispositivi elettronici bioriassorbibili del laboratorio Rogers, che ha introdotto il concetto di elettronica transitoria nel 2012, pubblicato su Science. Nel 2018, Rogers, MacEwan e colleghi hanno dimostrato il primo dispositivo elettronico bioriassorbibile al mondo, un impianto biodegradabile (8) che accelera la rigenerazione dei nervi, pubblicato su Nature Medicine. Poi, nel 2021, Rogers e colleghi hanno introdotto un pacemaker transitorio, (9) pubblicato su Nature Biotechnology.
Tutti i componenti dei dispositivi sono biocompatibili e assorbono naturalmente nei biofluidi del corpo nel corso di giorni o settimane, senza bisogno di estrazione chirurgica. I dispositivi bioriassorbibili sono completamente innocui, simili ai punti riassorbibili.
Allo spessore di un foglio di carta, il dispositivo di raffreddamento nervoso morbido ed elastico è ideale per il trattamento di nervi altamente sensibili.
«Se si pensa ai tessuti molli, ai nervi fragili e a un corpo in costante movimento, qualsiasi dispositivo di interfaccia deve avere la capacità di flettersi, piegarsi, torcersi e allungarsi facilmente e in modo naturale», ha affermato il dottor Rogers. «Inoltre, si desidera che il dispositivo scompaia semplicemente dopo che non è più necessario, per evitare procedure delicate e rischiose per la rimozione chirurgica».
Lo studio, “Soft, bioresorbable coolers for reversible conduction block of peripheral nerves,” è stato supportato dal Phil and Penny Knight Campus for Accelerating Scientific Impact, dal Querrey Simpson Institute for Bioelectronics, e dalla National Science Foundation (award number CMM1635443).
Riferimenti:
(1) Soft, bioresorbable coolers for reversible conduction block of peripheral nerves
(2) John A. Rogers
(3) McCormick School of Engineering
(4) Northwestern University Feinberg School of Medicine
(5) Querrey Simpson Institute for Bioelectronics
(6) Jonathan Reeder
(7) Matthew MacEwan
(8) Researchers demonstrate first example of a bioresorbable electronic medicine
(9) First-ever transient pacemaker harmlessly dissolves in body
Descrizione foto: Il dispositivo morbido e flessibile si piega e si allunga con il corpo, senza la necessità di hardware ingombrante e rigido. Illustrazione del dispositivo impiantabile all'interno di un braccio. L'ovale rosso indica dolore. Il dispositivo avvolge delicatamente il nervo periferico per silenziare i segnali al cervello. - Credit: Northwestern University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Dissolving implantable device relieves pain without drugs