زرع عصبي جديد “هجين حيوي” يمكن أن يستعيد وظيفة الأطراف المشلولة

زرع عصبي جديد “هجين حيوي” يمكن أن يستعيد وظيفة الأطراف المشلولة
طور الباحثون نوعًا جديدًا من الغرسات العصبية التي يمكن أن تعيد وظيفة الأطراف لمبتوري الأطراف وغيرهم ممن فقدوا استخدام أذرعهم أو أرجلهم.

في دراسة أجريت على الفئران ، استخدم باحثون من جامعة كامبريدج الجهاز لتحسين الاتصال بين الدماغ والأطراف المشلولة. يجمع الجهاز بين الإلكترونيات المرنة والخلايا الجذعية البشرية – الخلايا الرئيسية “القابلة للبرمجة” في الجسم – لتتكامل بشكل أفضل مع وظيفة العصب والأطراف.

غالبًا ما فشلت المحاولات السابقة لاستخدام الغرسات العصبية لاستعادة وظيفة الأطراف ، حيث يميل النسيج الندبي إلى التكون حول الأقطاب الكهربائية بمرور الوقت ، مما يعيق الاتصال بين الجهاز والعصب. عن طريق حشر طبقة من الخلايا العضلية المعاد برمجتها من الخلايا الجذعية بين الأقطاب الكهربائية والأنسجة الحية ، وجد الباحثون أن الجهاز مندمج مع جسم المضيف وتم منع تكوين النسيج الندبي. نجت الخلايا على الإلكترود لمدة 28 يومًا من التجربة ، وهي المرة الأولى التي يتم فيها رصد هذا على مدى فترة طويلة.

يقول الباحثون إنه من خلال الجمع بين علاجين متقدمين لتجديد الأعصاب – العلاج بالخلايا والإلكترونيات الحيوية – في جهاز واحد ، يمكنهم التغلب على أوجه القصور في كلا النهجين ، وتحسين الوظائف والحساسية.

بينما ستكون هناك حاجة إلى إجراء أبحاث واختبارات مكثفة قبل أن يتم استخدامه على البشر ، يعد الجهاز تطورًا واعدًا لمبتوري الأطراف أو أولئك الذين فقدوا وظيفة أحد الأطراف أو الأطراف. تم الإعلان عن النتائج في 22 مارس 2023 ، في مجلة Science Advances .

يتمثل التحدي الكبير عند محاولة عكس الإصابات التي تؤدي إلى فقدان أحد الأطراف أو فقدان وظيفة أحد الأطراف في عدم قدرة الخلايا العصبية على تجديد وإعادة بناء الدوائر العصبية المعطلة.

قال الدكتور داميانو بارون من قسم علوم الأعصاب الإكلينيكية في كامبريدج ، والذي شارك في قيادة البحث. “يتمثل التحدي في دمج الأطراف الاصطناعية ، أو استعادة وظيفة الذراعين أو الساقين ، في استخراج المعلومات من العصب وإيصالها إلى الطرف حتى يتم استعادة هذه الوظيفة.”

إحدى طرق معالجة هذه المشكلة هي زرع عصب في عضلات الكتف الكبيرة وربط أقطاب كهربائية به. تكمن المشكلة في هذا النهج في تشكل الأنسجة المتندبة حول القطب ، بالإضافة إلى أنه من الممكن فقط استخراج معلومات على مستوى السطح من القطب.

للحصول على دقة أفضل ، ستحتاج أي غرسة لاستعادة الوظيفة إلى استخراج المزيد من المعلومات من الأقطاب الكهربائية. ولتحسين الحساسية ، أراد الباحثون تصميم شيء يمكن أن يعمل بمقياس ألياف عصبية واحدة ، أو محور عصبي.

قال بارون: “إن المحوار نفسه له جهد ضئيل”. ولكن بمجرد اتصالها بخلية عضلية ذات جهد كهربائي أعلى بكثير ، يصبح استخراج الإشارة من الخلية العضلية أسهل. هذا هو المكان الذي يمكنك فيه زيادة حساسية الغرسة “.

صمم الباحثون جهازًا إلكترونيًا مرنًا متوافقًا حيوياً ، يكون رقيقًا بدرجة كافية ليتم توصيله بنهاية العصب. ثم تم وضع طبقة من الخلايا الجذعية ، أعيد برمجتها في خلايا عضلية ، على القطب. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام هذا النوع من الخلايا الجذعية ، المسمى بالخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات ، في كائن حي بهذه الطريقة.

قال بارون: “تمنحنا هذه الخلايا درجة هائلة من السيطرة”. “يمكننا إخبارهم بكيفية التصرف والتحقق منهم طوال التجربة. من خلال وضع الخلايا بين الإلكترونيات والجسم الحي ، لا يرى الجسم الأقطاب الكهربائية ، بل يرى الخلايا فقط ، لذلك لا يتشكل نسيج ندبي “.

تم زرع جهاز Cambridge biohybrid في الساعد المشلول للفئران. الخلايا الجذعية ، التي تم تحويلها إلى خلايا عضلية قبل الزرع ، تتكامل مع الأعصاب في ساعد الجرذ. في حين أن الفئران لم تستعيد حركة ساعديها ، كان الجهاز قادرًا على التقاط الإشارات من الدماغ التي تتحكم في الحركة. إذا تم توصيل الجهاز بباقي العصب أو الطرف الاصطناعي ، فيمكن أن يساعد الجهاز في استعادة الحركة.

تعمل طبقة الخلية أيضًا على تحسين وظيفة الجهاز ، من خلال تحسين الدقة والسماح بالمراقبة طويلة المدى داخل الكائن الحي. نجت الخلايا خلال التجربة التي استمرت 28 يومًا: وهي المرة الأولى التي ثبت فيها نجاة الخلايا من تجربة ممتدة من هذا النوع.

يقول الباحثون إن نهجهم له مزايا متعددة مقارنة بالمحاولات الأخرى لاستعادة الوظيفة لدى مبتوري الأطراف. بالإضافة إلى سهولة تكامله واستقراره على المدى الطويل ، فإن الجهاز صغير بدرجة كافية بحيث لا يتطلب غرسه سوى جراحة ثقب المفتاح. تتطلب تقنيات التواصل العصبي الأخرى لاستعادة الوظيفة عند مبتوري الأطراف تفسيرات معقدة خاصة بالمريض للنشاط القشري لربطها بحركات العضلات ، في حين أن الجهاز الذي طورته كامبريدج هو حل قابل للتطوير بدرجة كبيرة لأنه يستخدم خلايا “جاهزة”.

بالإضافة إلى قدرتها على استعادة الوظيفة لدى الأشخاص الذين فقدوا استخدام أحد الأطراف أو الأطراف ، يقول الباحثون إن أجهزتهم يمكن أيضًا استخدامها للتحكم في الأطراف الصناعية من خلال التفاعل مع محاور معينة مسؤولة عن التحكم في المحرك.

“هذه الواجهة يمكن أن تحدث ثورة في الطريقة التي نتفاعل بها مع التكنولوجيا” ، هذا ما قاله المؤلف المشارك الأول إيمي روتشفورد ، من قسم الهندسة. “من خلال الجمع بين الخلايا البشرية الحية والمواد الإلكترونية الحيوية ، أنشأنا نظامًا يمكنه التواصل مع الدماغ بطريقة أكثر طبيعية وبديهية ، وفتح إمكانيات جديدة للأطراف الصناعية ، وواجهات بين الدماغ والآلة ، وحتى تعزيز القدرات المعرفية.”

قال المؤلف المشارك الأول الدكتور أليخاندرو كارنيشر لومبارتي ، من قسم الهندسة أيضًا: “تمثل هذه التقنية أسلوبًا جديدًا مثيرًا للزراعة العصبية ، والتي نأمل أن تفتح علاجات جديدة للمرضى المحتاجين”.

قال البروفيسور جورج مالياراس من قسم الهندسة في كامبريدج ، والذي شارك في قيادة البحث: “كان هذا مسعى عالي الخطورة ، ويسعدني جدًا أنه نجح”. “إنها واحدة من تلك الأشياء التي لا تعرف ما إذا كانت ستستغرق عامين أو عشرة قبل أن تنجح ، وانتهى الأمر بالحدوث بكفاءة عالية.”

يعمل الباحثون الآن على تحسين الأجهزة وتحسين قابليتها للتوسع. قدم الفريق طلب براءة اختراع بشأن التكنولوجيا بدعم من Cambridge Enterprise ، ذراع نقل التكنولوجيا بالجامعة.

تعتمد التكنولوجيا على خلايا العضلات التي تدعم تقنية Opti-ox. opti-ox هي تقنية إعادة برمجة خلوية دقيقة تتيح التنفيذ المخلص للبرامج الجينية في الخلايا مما يسمح بتصنيعها باستمرار على نطاق واسع. تم توفير خطوط خلايا iPSC العضلية المزودة بتقنية opti-ox والمستخدمة في التجربة بواسطة مختبر Kotter من جامعة كامبريدج. تقنية إعادة برمجة opti-ox مملوكة لشركة bit.bio للبيولوجيا التركيبية.