Biohybrid device
Sviluppato un nuovo tipo di impianto neurale che potrebbe ripristinare la funzione degli arti agli amputati e ad altri che hanno perso l'uso delle braccia o delle gambe
Lo sviluppo di interfacce neurali con una biocompatibilità superiore e una migliore integrazione dei tessuti è vitale per il trattamento e il ripristino delle funzioni neurologiche nel sistema nervoso. Un fattore critico è aumentare la risoluzione per la mappatura degli input neuronali sugli impianti.
In uno studio, pubblicato su Science Advances (1), condotto sui ratti, i ricercatori dell'Università di Cambridge hanno utilizzato il dispositivo per migliorare la connessione tra il cervello e gli arti paralizzati. Il dispositivo combina l'elettronica flessibile e le cellule staminali umane – le cellule madri “riprogrammabili” del corpo – per integrarsi meglio con il nervo e la funzione dell'arto guida.
I precedenti tentativi di utilizzare impianti neurali per ripristinare la funzione degli arti sono per lo più falliti, poiché nel tempo il tessuto cicatriziale tende a formarsi attorno agli elettrodi, impedendo la connessione tra il dispositivo e il nervo. Inserendo uno strato di cellule muscolari riprogrammate da cellule staminali tra gli elettrodi e il tessuto vivente, i ricercatori hanno scoperto che il dispositivo si integrava con il corpo dell'ospite e impediva la formazione di tessuto cicatriziale. Le cellule sono sopravvissute sull'elettrodo per la durata dell'esperimento di 28 giorni, la prima volta che questo è stato monitorato per un periodo così lungo.
I ricercatori affermano che combinando due terapie avanzate per la rigenerazione dei nervi - terapia cellulare e bioelettronica - in un unico dispositivo, possono superare le carenze di entrambi gli approcci, migliorando funzionalità e sensibilità.
Sebbene saranno necessarie ricerche e test approfonditi prima che possa essere utilizzato negli esseri umani, il dispositivo è uno sviluppo promettente per gli amputati o coloro che hanno perso la funzione di uno o più arti.
Un'enorme sfida quando si tenta di invertire le lesioni che provocano la perdita di un arto o la perdita della funzione di un arto è l'incapacità dei neuroni di rigenerare e ricostruire i circuiti neurali interrotti.
«Se qualcuno ha un braccio o una gamba amputati, per esempio, tutti i segnali nel sistema nervoso sono ancora presenti, anche se l'arto fisico non c'è più», ha detto il Dottor Damiano G. Barone (2) del Dipartimento di neuroscienze cliniche di Cambridge, che ha co-diretto la ricerca. «La sfida con l'integrazione di arti artificiali, o il ripristino della funzione di braccia o gambe, è estrarre le informazioni dal nervo e portarle all'arto in modo che la funzione venga ripristinata».
Un modo per affrontare questo problema è impiantare un nervo nei grandi muscoli della spalla e attaccarvi degli elettrodi. Il problema con questo approccio sono le forme di tessuto cicatriziale attorno all'elettrodo, inoltre è possibile estrarre solo informazioni a livello superficiale dall'elettrodo.
Per ottenere una migliore risoluzione, qualsiasi impianto per il ripristino della funzione dovrebbe estrarre molte più informazioni dagli elettrodi. E per migliorare la sensibilità, i ricercatori volevano progettare qualcosa che potesse funzionare sulla scala di una singola fibra nervosa, o assone.
«Un assone stesso ha una tensione minuscola», ha detto Barone. «Ma una volta che si connette con una cellula muscolare, che ha una tensione molto più alta, il segnale dalla cellula muscolare è più facile da estrarre. È qui che puoi aumentare la sensibilità dell'impianto».
I ricercatori hanno progettato un dispositivo elettronico flessibile biocompatibile che è abbastanza sottile da essere attaccato all'estremità di un nervo. Uno strato di cellule staminali, riprogrammate in cellule muscolari, è stato quindi posizionato sull'elettrodo. Questa è la prima volta che questo tipo di cellula staminale, chiamata cellula staminale pluripotente indotta, viene utilizzata in un organismo vivente in questo modo.
«Queste cellule ci danno un enorme grado di controllo», ha detto Barone. «Possiamo dire loro come comportarsi e controllarli durante l'esperimento. Mettendo le cellule tra l'elettronica e il corpo vivente, il corpo non vede gli elettrodi, vede solo le cellule, quindi non viene generato tessuto cicatriziale».
Il dispositivo bioibrido di Cambridge è stato impiantato nell'avambraccio paralizzato dei ratti. Le cellule staminali, che erano state trasformate in cellule muscolari prima dell'impianto, si sono integrate con i nervi dell'avambraccio del ratto. Sebbene ai ratti non sia stato ripristinato il movimento degli avambracci, il dispositivo è stato in grado di captare i segnali dal cervello che controllano il movimento. Se collegato al resto del nervo o a un arto protesico, il dispositivo potrebbe aiutare a ripristinare il movimento.
Lo strato cellulare ha anche migliorato la funzione del dispositivo, migliorando la risoluzione e consentendo il monitoraggio a lungo termine all'interno di un organismo vivente. Le cellule sono sopravvissute all'esperimento di 28 giorni: è la prima volta che è stato dimostrato che le cellule sopravvivono a un esperimento esteso di questo tipo.
I ricercatori affermano che il loro approccio ha molteplici vantaggi rispetto ad altri tentativi di ripristinare la funzione negli amputati. Oltre alla sua più facile integrazione e stabilità a lungo termine, il dispositivo è abbastanza piccolo che il suo impianto richiederebbe solo un intervento chirurgico. Altre tecnologie di interfaccia neurale per il ripristino della funzione negli amputati richiedono complesse interpretazioni specifiche del paziente dell'attività corticale da associare ai movimenti muscolari, mentre il dispositivo sviluppato da Cambridge è una soluzione altamente scalabile poiché utilizza cellule “pronte all'uso”.
Oltre al suo potenziale per il ripristino della funzione nelle persone che hanno perso l'uso di uno o più arti, i ricercatori affermano che il loro dispositivo potrebbe anche essere utilizzato per controllare gli arti protesici interagendo con specifici assoni responsabili del controllo motorio.
«Questa interfaccia potrebbe rivoluzionare il modo in cui interagiamo con la tecnologia», ha affermato la co-prima autrice, la Dottoressa Amy Rochford (3), del Dipartimento di Ingegneria. «Combinando cellule umane viventi con materiali bioelettronici, abbiamo creato un sistema in grado di comunicare con il cervello in modo più naturale e intuitivo, aprendo nuove possibilità per protesi, interfacce cervello-macchina e persino migliorando le capacità cognitive».
«Questa tecnologia rappresenta un nuovo entusiasmante approccio agli impianti neurali, che speriamo sbloccherà nuovi trattamenti per i pazienti bisognosi», ha affermato il co-primo autore Dottor Alejandro Carnicer-Lombarte (4), anch'egli del Dipartimento di Ingegneria.
«Questo è stato uno sforzo ad alto rischio, e sono così contento che abbia funzionato», ha detto il professor George Malliaras (5) del Dipartimento di Ingegneria di Cambridge, che ha co-diretto la ricerca. «È una di quelle cose che non sai se ci vorranno due o dieci anni prima che funzioni, e alla fine è successo in modo molto efficiente».
I ricercatori stanno ora lavorando per ottimizzare ulteriormente i dispositivi e migliorare la loro scalabilità. Il team ha depositato una domanda di brevetto sulla tecnologia con il supporto di Cambridge Enterprise, il braccio di trasferimento tecnologico dell'Università.
La tecnologia si basa su cellule muscolari abilitate opti-oxTM. Opti-ox è una tecnologia di riprogrammazione cellulare di precisione che consente l'esecuzione fedele dei programmi genetici nelle cellule consentendone la produzione coerente su larga scala. Le linee cellulari iPSC muscolari abilitate per opti-ox utilizzate nell'esperimento sono state fornite dal laboratorio Kotter dell'Università di Cambridge. La tecnologia di riprogrammazione opti-ox è di proprietà della società di biologia sintetica bit.bio.
La ricerca è stata sostenuta in parte dall'Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), parte di UK Research and Innovation (UKRI), Wellcome e dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione europea.
Riferimenti:
(3) Amy Rochford
(4) Alejandro Carnicer-Lombarte
(5) George Malliaras
Descrizione foto: In uno studio condotto sui ratti, i ricercatori dell'Università di Cambridge hanno utilizzato un dispositivo bioibrido per migliorare la connessione tra il cervello e gli arti paralizzati. Il dispositivo combina l'elettronica flessibile e le cellule staminali umane - le cellule madri “riprogrammabili” del corpo - per integrarsi meglio con la funzione nervosa e guidare l'arto. - Credit: University of Cambirdge.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: ‘Biohybrid’ device could restore function in paralysed limbs