Новое устройство может стать альтернативой опиоидам и другим наркотикам, вызывающим сильную зависимость.
Небольшой, мягкий, гибкий имплантат, который снимает боль по требованию и без использования лекарств, был разработан группой исследователей под руководством Северо-Западного университета. Первое в своем роде устройство может стать столь необходимой альтернативой опиоидам и другим лекарствам, вызывающим сильную зависимость.
Мягкое гибкое устройство сгибается и растягивается вместе с телом без громоздких жестких приспособлений. Предоставлено: Северо-Западный университет.
Мягко оборачивая нервы, биосовместимое водорастворимое устройство способно обеспечить точное целенаправленное охлаждение, которое вызывает онемение нервов и блокирует болевые сигналы в мозг. С помощью внешнего насоса пользователь может дистанционно активировать устройство, а затем увеличивать или уменьшать его интенсивность. После того, как устройство больше не нужно, оно естественным образом впитывается в организм. Это позволяет избежать хирургического удаления.
По словам исследователей, устройство может быть наиболее ценным для пациентов, которые переносят обычные операции или даже ампутации, которые обычно требуют послеоперационных лекарств. Хирурги могут имплантировать устройство во время процедуры, чтобы облегчить послеоперационную боль пациента.
В статье описывается конструкция устройства и демонстрируется его эффективность на животной модели. Она была опубликована в номере журнала Science от 1 июля.
«Хотя опиоиды чрезвычайно эффективны, они также вызывают сильное привыкание», — сказал Джон А. Роджерс из Northwestern, руководивший разработкой устройства. «Как инженеры, мы руководствуемся идеей лечения боли без лекарств — способами, которые можно включать и выключать мгновенно, а пользователь может контролировать интенсивность облегчения. Описанная здесь технология использует механизмы, которые имеют некоторое сходство с теми, которые вызывают онемение пальцев в холоде. Наш имплантат позволяет производить этот эффект программируемым образом, непосредственно и локально на целевые нервы, даже те, которые находятся глубоко в окружающих мягких тканях».
Иллюстрация имплантируемого устройства внутри руки. Красный овал указывает на боль. Устройство мягко оборачивает периферический нерв, чтобы заглушить сигналы, поступающие в мозг. Предоставлено: Северо-Западный университет.
Джон А. Роджерс, пионер биоэлектроники, является профессором Луи Симпсона и Кимберли Куэрри в области материаловедения и инженерии, биомедицинской инженерии и нейрохирургии в Инженерной школе Маккормика и Медицинской школе Файнберга Северо-Западного университета. Он также является директором-основателем Института биоэлектроники Куэрри Симпсона. Джонатан Ридер, первый автор статьи, бывший доктор философии кандидат в лаборатории Роджерса.
Как это работает
Хотя новое устройство может звучать как научная фантастика, на самом деле оно использует простую и всем известную концепцию: испарение. Подобно тому, как испаряющийся пот охлаждает тело, устройство содержит жидкий хладагент, который испаряется в определенном месте чувствительного нерва.
«По мере того, как вы охлаждаете нерв, сигналы, проходящие через нерв, становятся все медленнее и медленнее — в конечном итоге полностью прекращаются», — сказал соавтор исследования доктор Мэтью Макьюэн из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе. «Мы специально нацелены на периферические нервы, которые соединяют ваш головной и спинной мозг с остальной частью вашего тела. Это нервы, которые передают сенсорные стимулы, включая боль. Оказывая охлаждающий эффект только на один или два целевых нерва, мы можем эффективно модулировать болевые сигналы в одной конкретной области тела».
- Наблюдайте, как устройство медленно растворяется в течение 50 дней. Устройство распадается на биосовместимые компоненты, которые затем естественным образом усваиваются организмом. Предоставлено: Северо-Западный университет.
- Чтобы вызвать охлаждающий эффект, устройство содержит крошечные микрожидкостные каналы. Один канал содержит жидкий хладагент (перфторпентан), который уже клинически одобрен в качестве ультразвукового контрастного вещества и для ингаляторов под давлением. Второй канал содержит сухой азот, инертный газ.
- Когда жидкость и газ попадают в общую камеру, происходит реакция, в результате которой жидкость быстро испаряется. В то же время крошечный встроенный датчик контролирует температуру нерва, чтобы убедиться, что он не становится слишком холодным, что может привести к повреждению тканей.
«Чрезмерное охлаждение может повредить нерв и хрупкие ткани вокруг него», — сказал Роджерс. «Поэтому необходимо точно контролировать продолжительность и температуру охлаждения. Контролируя температуру на нерве, скорость потока можно регулировать автоматически, чтобы установить точку, которая блокирует боль обратимым и безопасным образом. Текущая работа направлена на определение полного набора временных и температурных порогов, ниже которых процесс остается полностью обратимым».
Прецизионная мощность
В то время как другие охлаждающие терапии и блокаторы нервов были протестированы экспериментально, все они имеют значительные ограничения, которые преодолевает новое устройство. Ученые ранее исследовали криотерапию, например, инъекцию с помощью иглы. Вместо того, чтобы нацеливаться на определенные нервы, эти неточные подходы охлаждают большие участки ткани, что может привести к нежелательным эффектам, таким как воспаление и повреждение тканей.
В самом широком месте крошечное устройство Northwestern имеет ширину всего 5 миллиметров (0,2 дюйма). Один конец скручивается в манжету, которая мягко оборачивает один нерв, не накладывая швы. Точно воздействуя только на пораженный нерв, устройство избавляет окружающие области от ненужного охлаждения, которое может привести к побочным эффектам.
- «Вы не хотите непреднамеренно охлаждать другие нервы или ткани, которые не связаны с нервом, передающим болевые стимулы», — сказал Макьюэн. «Мы хотим блокировать болевые сигналы, а не нервы, которые контролируют двигательную функцию и позволяют вам, например, использовать руку».
- Предыдущие исследователи также исследовали блокаторы нервов, которые используют электрическую стимуляцию для подавления болезненных раздражителей. Они тоже имеют ограничения.
- «Вы не можете отключить нерв с помощью электрической стимуляции, не активировав его сначала», — сказал Макьюэн. «Это может вызвать дополнительную боль или мышечные сокращения и не является идеальным с точки зрения пациента».
Исчезающий акт
Эта новая технология является третьим примером биорезорбируемых электронных устройств из лаборатории Роджерса, которая представила концепцию переходной электроники в 2012 году, опубликованную в журнале Science . В 2018 году Роджерс, Макьюэн и их коллеги продемонстрировали первое в мире биорезорбируемое электронное устройство — биоразлагаемый имплантат, ускоряющий регенерацию нервов, опубликованный в журнале Nature Medicine. Затем, в 2021 году, Роджерс и его коллеги представили временный кардиостимулятор, опубликованный в Nature Biotechnology.
Все компоненты устройств биосовместимы и естественным образом впитываются биологическими жидкостями организма в течение нескольких дней или недель без необходимости хирургического извлечения. Биорезорбируемые устройства совершенно безвредны — они аналогичны рассасывающимся швам.
Мягкое эластичное устройство для охлаждения нервов толщиной с лист бумаги идеально подходит для лечения очень чувствительных нервов.
«Если вы думаете о мягких тканях, хрупких нервах и теле, находящемся в постоянном движении, любое взаимодействующее устройство должно обладать способностью легко и естественно сгибаться, сгибаться, скручиваться и растягиваться», — сказал Роджерс. «Кроме того, вы хотели бы, чтобы устройство просто исчезло после того, как оно больше не нужно, чтобы избежать деликатных и рискованных процедур хирургического удаления».
Исследование было поддержано Кампусом Фила и Пенни Найт для ускорения научного воздействия, Институтом биоэлектроники Куэрри Симпсона и Национальным научным фондом (номер награды CMM1635443).