Mikroroboty będą naprawiały uszkodzony rdzeń kręgowy?

| Medycyna
Postaw mi kawę na buycoffee.to
ETH Zürich

Paraliż po urazie rdzenia kręgowego to wyrok dewastujący całe życie. Nerwy w rdzeniu kręgowym niemal nigdy nie regenerują się samoistnie, a blizny skutecznie blokują odrastanie włókien nerwowych. Naukowcy z ETH Zurich i Uniwersytetu w Zurychu zaproponowali rozwiązanie, które jeszcze niedawno brzmiałoby jak science fiction: mikroskopijne roboty zbudowane z żywych komórek i magnetycznych nanocząstek, sterowane z zewnątrz polem magnetycznym.

Głównym elementem ich wynalazku są NPCboty, hybrydowe mikroroboty o średnicy sześciu mikrometrów, czyli mniej więcej tyle, ile wynosi średnica czerwonej krwinki. Każdy z nich składa się z dwóch elementów: komórki progenitorowej układu nerwowego (NPC) oraz specjalnie zaprojektowanych nanocząstek magnetoelektrycznych z rdzeniem z ferrytu kobaltu otoczonym powłoką z tytanianu baru (CFO–BTO).

Komórki NPC są pochodną indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych – komórek przeprogramowanych w laboratorium do stanu podobnego do komórek macierzystych. Mają potencjał do przekształcenia się w różne typy komórek nerwowych. Nanocząstki mają zaś do spełnienia dwa zadania. Reagują na zewnętrzne pole magnetyczne, co pozwala precyzyjnie nawigować nimi w tkankach, a jednocześnie zamieniają impulsy magnetyczne na elektryczne, stymulując komórkę do różnicowania się w neurony.

Połączenia obu elementów dokonuje się w układzie mikroprzepływowym – chipie wielkości jednego centymetra kwadratowego. Komórki zostają uwięzione w pułapce, po czym wpompowuje się do niej nanocząstki. Po zaledwie trzydziestu minutach NPCboty są gotowe do użycia. Aby wyprodukować ich odpowiednią ilość – setki tysięcy do testów komórkowych, kilka milionów do eksperymentów na zwierzętach – układy uruchamia się równolegle.

Pierwsze praktyczne eksperymenty przeprowadzono na danio pręgowanych z uszkodzonym rdzeniem kręgowym. To popularny model badawczy, ceniony za naturalną zdolność regeneracji i przejrzyste ciało larw. NPCboty wstrzyknięto bezpośrednio w miejsce urazu, a następnie przyłożono zewnętrzne zmienne pole magnetyczne. Działało ono przez dwie godziny dziennie przez kilka dni, pobudzając nanocząstki do generowania impulsów elektrycznych wewnątrz komórek nerwowych. Już po trzech dniach rybki odzyskały niemal normalne zdolności pływackie i behawioralne. Kluczowe okazało się połączenie wszystkich elementów – same komórki NPC bez nanocząstek nie dawały istotnej poprawy, podobnie jak same nanocząstki bez komórek.
Wyniki na myszach, których rdzeń kręgowy był całkowicie przecięty, również zaskoczyły badaczy. Po 28 dniach doszło do ponownego połączenia komórek nerwowych w miejscu urazu, a zwierzęta stopniowo odzyskiwały sprawność ruchową – poprawił się chód, długość kroku, koordynacja i zachowania eksploracyjne. To szczególnie ważne, bo – inaczej niż u danio – mysie nerwy rdzeniowe normalnie nie regenerują się wcale.

Badacze ustalili też mechanizm molekularny stojący za tym zjawiskiem. Impulsy elektryczne generowane przez nanocząstki aktywują kanały wapniowe w błonie komórkowej. Napływ jonów wapnia uruchamia wewnątrzkomórkową kaskadę sygnałową, która powoduje różnicowanie się komórki progenitorowej w neuron lub astrocyt. Gdy badacze zablokowali kanały wapniowe, różnicowanie niemal całkowicie zanikało, co potwierdziło kluczową rolę tego szlaku.

Zanim NPCboty trafią do szpitala, przed naukowcami jeszcze długa droga. Trzeba ustalić optymalne parametry pól magnetycznych dla tkanek ludzkich, ocenić długoterminowe oddziaływanie nanocząstek na organizm oraz przebadać bezpieczeństwo metody na większych modelach zwierzęcych. Autorzy zaznaczają jednak, że skalowalny system produkcji na chipach i nieinwazyjny sposób stymulacji czynią tę platformę wyjątkowo obiecującą nie tylko w neurologii, ale potencjalnie również w kardiologii, onkologii i leczeniu ran.

Artykuł opisujący nową technologię został opublikowany na łamach Nature Materials.

 

Autor:

Źródło: ETH Zürich

rdzeń kręgowy uszkodzenie paraliż mikrorobot