Китайские нейроинженеры разработали биосовместимый имплант, который восстанавливает поврежденные нервы при помощи электростимуляции, а затем самостоятельно разлагается. Имплант сам по себе является простейшим гальваническим элементом, электролитом в котором выступают биологические жидкости организма, поначалу генерируя напряжение немногим меньшее, чем в обычной пальчиковой батарейке. Исследование опубликовано в Science Advances.
Имплант, восстанавливающий поврежденный нерв у крысы. Credit: Liu Wang et al / Science Advances, 2020
Более миллиона людей ежегодно страдает от повреждения периферических нервов, приводящих к двигательным нарушениям и потере чувствительности. Для восстановления нервов проводят операцию по трансплантации. Суть ее в том, что здоровый нерв пересаживают в поврежденный участок. Обычно берется участок нерва из другой части тела, роль которого несущественна.
Однако те участки, откуда можно взять совместимые нервы, ограничены, и после хирургического вмешательства возможны побочные эффекты на участке-доноре. Кроме того, пациентам приходится переносить дополнительную операцию.
Китайские исследователи разработали миниатюрный электростимулятор, который стимулирует восстанавление нервной ткани и, выполнив свою функцию, постепенно распадается без вреда для организма. Устройство представляет собой микротрубку толщиной 350 мкм из полимерных материалов, покрытых тонким слоем магния (Mg; толщиной 3,5 мкм) и железо-марганцевого сплава (FeMn; толщиной 1,5 мкм).
Полимерный материал, благодаря пористой структуре, проницаем для факторов роста нейронов, необходимых для восстановления. Металлы же, служа электродами, совместно с биологическими жидкостями организма, образуют гальванический элемент. Он создает электрический ток, которые ускоряют восстановление нервной ткани. Имплант в виде микротрубки также выступает в качестве каркаса, соединяющего поврежденные части нерва.
Структура импланта. Credit: Liu Wang et al / Science Advances, 2020
Для проведения эксперимента исследователи сначала проверили биосовместимость электродов, выращивая совместно в культуре нейроны спинно-мозгового нервного узла (DRG-нейроны), образующие миелиновую оболочку шванновские клетки, при этом культуры растили на специальных планшетах, на которых были размещены магниевые и железо-марганцевые электроды.
Испытания биосовместимости электродов.Credit: Liu Wang et al/ Science Advances, 2020
Затем ученые разрезали седалищный нерв у крыс, а затем вживили имплант, соединив разорванные части нерва. Контрольными группами выступили крысы с имплантами с различными вариантами напыления. По результатам анализа, наилучший результат показали трубки, покрытые одновременно магнием, марганцем и железом.
Длина восстановленных нейронов в различных группах: Control — с трубками без металлического напыления; Mg — с напылением только магния; FeMn — с напылением только железо-марганцевого сплава; E-active — покрытые одновременно магнием, марганцем и железом (образующие гальванический элемент). Credit: Liu Wang et al / Science Advances, 2020
D— пористый полимерный материал; E — волокна полимерного материала; F— отростки нейронов на волокнах (день 7). Credit: Liu Wang et al / Science Advances, 2020
Устройство отлично совместимо не только организмом, но и с аппаратом МРТ – имплант не станет препятствием для проведения магнитно-резонансной томографии. Помимо того, устройство не нужно извлекать – оно самостоятельно разрушается примерно через 56 дней, уступая место растущим нервным клеткам.
Для оценки восстановления двигательных функций ученые использовали систему CatWalk XT через 2, 4, 6, 8, 10 и 12 недель после операции. CatWalk XT – это система для анализа походки и подсчета шагов крыс и мышей.
CatWalk XT. Credit: Noldus Information Technology
Анализ показал близкие значения при восстановлении нервов с помощью импланта и при пересадке нервов. Однако пациентам с имплантом не нужно переносить дополнительную операцию, что позволит снизить риск осложнений.
Значения SFI (функционального индекса седалищного нерва), близкие к 0, указывают на нормальную двигательную функцию, в то время как значения SFI, близкие к -100, указывают на серьезную дисфункцию. Hollow — импланты без напыления; E-active — с напылением; Autograft — пересадка нервов. Credit: Liu Wang et al / Science Advances, 2020
Исследователи планируют изучить восстановление имплантами не только седалищного, но и других нервов, а также проверить, как работает устройство на более крупных животных.
Текст: Вера Васильева, Андрей Васин
A fully biodegradable and self-electrified device for neuroregenerative medicine by Liu Wang et al in Science Advances. Published December 2020.
https://doi.org/10.1126/sciadv.abc6686
