Ученые разработали уникальную технологию 3D-печати нейроимплантов

Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) разработали технологию 3D-печати мягких нейропротезов (нейроимплатнов) NeuroPrint. В перспективе она, в буквальном смысле, поможет поставить человека на ноги после травмы спинного мозга. Новая разработка петербургских ученых уже показала свою эффективность в исследованиях на подопытных животных. Ученые протестировали новую технологию на млекопитающих и рыбках данио-рерио. Результаты опубликованы в престижном научном журнале Nature Biomedical Engineering.

Нет возможности даже дышать…

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), у более миллиарда человек есть различные формы инвалидности. Это больше 15 % населения Земли! Кроме того, ежегодно 500 тыс. человек получают травмы спинного мозга. Зачастую они сопровождаются потерей чувствительности, возможности ходить и серьезными нарушениями работы внутренних органов.

Спинной мозг — это главный в человеческом организме пучок нервных волокон, по которому импульсы передаются от головного мозга к остальным частям тела. По сути, это самый важный «связной» между головой и телом. В паре головной и спинной мозг составляют центральную нервную систему (ЦНС). Двигательные и сенсорные нервы за пределами ЦНС составляют периферическую нервную систему. Еще одна нервная система, которая контролирует непроизвольные функции, например давление и температуру человека, называется симпатической и парасимпатической нервной системами.

Функция нервов, которые находятся в спинном мозге – передача сообщений от головного мозга к спинномозговым нервам по спинному тракту и обратно.

Травма спинного мозга – это повреждение спинного мозга, которое приводит к потере важных функций человеческого организма, например подвижности и чувствительности.

Такие травмы, как правило, затрагивают больше мужчин, чем женщин – они чаще получают травмы, связанные с физическим трудом или более экстремальным поведением. Однако самое страшное в статистике заболевания то, что большинство получивших повреждения спинного мозга – молодые люди в возрасте от 16 до 30 лет. Не успев прожить хотя бы половину жизни, пострадавшим от такой травмы уготована ужасная участь – неспособность позаботиться о себе и, в худшем случае, даже двигаться. Причина, по которой именно молодые люди чаще всего страдают от повреждения спинного мозга – их активный образ жизни, который после травмы остается в прошлом. Зачастую навсегда.

Для потери функции спинной мозг не обязательно должен быть перерезан. Порой достаточно даже небольшого повреждения. Стоит отметить, что повреждение спинного мозга может не быть связано с травмами спины. Человек может “сломать” себе спину или шею, но не получить травму спинного мозга, если повреждены только позвонки, а сам мозг не затронут.

Бой, который стал последним

Для россиян февраль 2020 года запомнился кошмарными кадрами во всех новостных лентах. На открытом Кубке мира по грэпплингу в Петербурге один из борцов во время силового приема сломал шею. Пайзутдин Алиев, которому на момент травмы было всего 26 лет, не знал в тот день, что впереди его ждет не победа, а долгий путь к тому, чтобы снова начать жить.

Алиев пострадал совершенно неожиданно. Всего одна ошибка – неправильное выполнение приема, как сам борец признал позже – привела к госпитализации и состоянию на грани жизни и смерти.

Борца парализовало в первую же секунду после падения: он был не в состоянии пошевелить ни одной частью тела, говорить удавалось с огромным трудом.

Через три дня после схватки выяснилось, что у Алиева нет разрыва спинного мозга. Как позже заявил тренер борца, Каир Закиров, «с такой травмой вряд ли можно выжить». Но травма спинного мозга навсегда изменит жизнь бойца.

В НИИ скорой помощи имени И. И. Джанелидзе Алиеву сделали операцию. Когда он очнулся, то не сразу понял, что остался жив — невозможность пошевелиться шокировала и сбивала с толку. Шесть дней Пайзутдин был полностью парализован. Ему казалось, что время тянется бесконечно. На шестой день Алиев уже был готов был сдаться и смириться со своей судьбой паралитика. И все же ему удалось пошевелить пальцем. Потом еще одним. Это стало началом выздоровления.

Сейчас Алиеву очень осторожно прогнозируют возможность восстановления. Повреждения позвоночника и спинного мозга оказались совместимыми с жизнью. Возможно, Алиев сможет поправиться, но пока говорить об этом рано. Прошло всего несколько месяцев, но когда речь идет о восстановлении после травмы спинного мозга, сроки выздоровления измеряются годами.

Как работает нейропротезирование?

Нейропротезирование помогает возвращать людям утраченное качество жизни, в том числе после травмы спинного мозга, нивелируя ее последствия. Чтобы помочь пациентам восстановиться, исследователи занимаются разработкой нейроимплантов. Они способны проводить электрический сигнал от спинного и головного мозга к протезу.

Нейроимпланты – это искусственно выращенные биологические ткани или искусственные органы, которые вживляются в организм человека или животных. Изначально такие импланты разрабатывались для нормализации работы отдельных областей мозга, поврежденных после травм или инсульта. Сегодня они также помогают передавать сигналы от мозга к различным частям тела и обратно. Это зависит от вида протезов.

Одна из главных проблем с которыми сталкиваются врачи и ученые при создании нейроимплантов – их подстройка к нервным тканям каждого пациента. Каждый человеческий организм уникален, и эта уникальность становится серьезным препятствием для применения технологии.

Когда создается, например, протез ноги, хватает и совпадения с внешними физическими характеристиками — проще говоря, нужно лишь подобрать точный размер и форму протеза. Собрать пазл из двух частей. Человек будет ходить (и даже бегать), опираясь на этот протез.

Но когда речь идет о нейпротезировании, все гораздо сложнее, ведь речь идет о нервах, которых очень много, и все они важны и выполняют разные функции. В одной ноге несколько десятков нервов, а нервных окончаний — миллионы. Это как соединять две части пазла очень сложной формы. Вместо двух-трех углублений и выступов, для того, чтобы «подключить» нервную систему к имплантированному устройству, нужно учесть форму миллионов таких изгибов.

У каждого человека расположение нервов индивидуально: существует несколько «клубков ниток» – нервов, которые переплетаются по-разному. Сложность нейропротезирования именно в том, что врачам нужно определить, как у пациента расположен рисунок нервов, а потом подсоединить каждый из них в нужном месте. Определять где какие нервы находятся медики научились уже давно — стимулируя нерв, врачи считывают, какие нервные клетки и где отреагировали. Но создать индивидуальный нейроимплант, чтобы он подходил по всем характеристикам, уже не так просто.

Уникальность новой разработки 3D-печати от команды ученых под руководством профессора Павла Мусиенко из Института трансляционной биомедицины СПбГУ и профессора Ивана Минева из Университета Шеффилда позволяет медикам и ученым быстро создавать подходящий для каждого человека нейроимплант или нейропротез.

Новая разработка меняет процесс нейпротезирования

Персональный подход к производству нейропротезов стал возможен благодаря технологиям 3D-печати нейроимплантов NeuroPrint. Сначала в принтере создается геометрический образ будущего импланта из силикона. Затем на основу наносятся микрочастицы платины или другого элемента, который хорошо проводит ток. Важно, что количество электродов и их расположение в нейроимпланте можно менять в зависимости от нужд каждого конкретного пациента. На выходе получаются персонализированные устройства для имплантации прямо в ткани спинного мозга, головного мозга или мышц. Среднее время создания такого импланта – от проекта до получения прототипа – всего 24 часа.

Нейробиологи уже использовали новую технологию NeuroPrint для проведения исследований на млекопитающих и рыбках данио-рерио. Этот вид рыб быстро размножается, а активностью их генов легко манипулировать, поэтому это один из популярных организмов для проведения исследований.

Новые нейроимпланты превзошли все ожидания — их высокий уровень биоинтеграции не уступает аналогам.

Автор: Никифорова Анастасия

Источник: https://sciencemon.ru/office/org/blog/258153/