Ein Materialwissenschaftler der Johns Hopkins University und ein Team von Mitarbeitern haben ein winziges Gerät entwickelt, das vielversprechend für die Wiederherstellung der Mobilität von Menschen mit Lähmungen der unteren Gliedmaßen sein könnte, einer Erkrankung, von der etwa 1,4 Millionen Amerikaner betroffen sind.
Das neuartige Gerät, ein Wirbelsäulenstimulator, kann durch eine einfache Injektion unterhalb der Verletzungsstelle platziert werden und unterscheidet sich damit von herkömmlichen Stimulatoren, die sperrig sind und weiter von den Nerven entfernt eingesetzt werden müssen, die die Beinbewegungen steuern.
„Das Konzept hinter Wirbelsäulenstimulatoren ist ihre Fähigkeit, verletzte Regionen zu umgehen und wichtige motorische Befehle vom Gehirn an die Wirbelsäulenregion zu senden, die für die Beinbewegungen verantwortlich ist. Unser innovativer Ansatz adressiert eine zentrale Herausforderung, mit der viele bestehende Wirbelsäulenstimulatortechnologien konfrontiert sind: eine präzise und minimale Stimulation zu erreichen Invasivität“, sagte Mitglied Dinchang Lin, Assistenzprofessor am Department of Materials Science and Engineering der Whiting School of Engineering und Kernforscher am Johns Hopkins Institute for NanoBioTechnology.
Die Ergebnisse des Teams sind veröffentlicht In Nano-Buchstaben.
Herkömmliche Wirbelsäulenstimulatoren werden entweder auf der Rückseite des Rückenmarks (dem Rücken der Person zugewandt) oder direkt in das Wirbelsäulengewebe implantiert. Laut Lin ist keine der beiden Strategien ideal: Erstere beeinträchtigt die Fähigkeit des Implantats, wichtige Nerven präzise anzusprechen, und letztere verursacht nicht nur Schäden am Gewebe während der Implantationsoperation, sondern wirft auch Probleme mit der Biokompatibilität auf.
Lins Team identifizierte zunächst eine neue Stimulationsstelle, die ventrolaterale Epiduraloberfläche, die sehr nahe an wichtigen Motoneuronen im Rückenmark liegt und ohne Operation zugänglich ist. Anschließend entwickelten sie ein nanoskaliges, ultraflexibles und dehnbares Gerät, das über einen kleinen Injektor und eine einfache Spritzenpumpe eingeführt werden kann.
„Durch die Anwendung dieser neuen Technologie in einem Mausmodell haben wir Beinbewegungen mit einem elektrischen Strom hervorgerufen, der fast zwei Größenordnungen niedriger ist als der, der bei der herkömmlichen Rückenstimulation verwendet wird. Unser Stimulator ermöglichte nicht nur ein breiteres Bewegungsspektrum, sondern erlaubte uns auch, die Elektrode zu programmieren.“ „Das Stimulationsmuster des Arrays, das zu komplexeren und natürlicheren Beinbewegungen führte, die an Treten, Treten und Winken erinnern“, sagte Lin, der das Design des Teams und die Auswahl der Gerüstmaterialien des Geräts leitete, das so angepasst wurde, dass optimale mechanische Eigenschaften und eine lange Lebensdauer erreicht wurden. Begriff Biokompatibilität.
Die Forscher hoffen, dass diese Technologie – wenn sie sich schließlich als sicher und wirksam für den Einsatz beim Menschen erweist – eines Tages dazu beitragen könnte, die Beinfunktion von Menschen mit Rückenmarksverletzungen oder neuromotorischen Erkrankungen wiederherzustellen. Sie glauben auch, dass ihre Implantationsmethode mit geringer Invasivität diese für mehr Menschen zugänglich machen könnte.
„Diese Technologie könnte die Lebensqualität vieler Patienten erheblich verbessern, die Kosten für die persönliche Pflege senken und ihnen helfen, ihr Selbstvertrauen und ihre Würde wiederzugewinnen“, sagte Lin.
Die Teammitglieder planen, die Arbeit an dem Gerät im Hinblick auf mögliche klinische Studien am Menschen fortzusetzen.
Mehr Informationen:
Dingchang Lin et al., Injizierbarer ventraler Wirbelsäulenstimulator ruft programmierbare und biomimetische Bewegung der Hinterbeine hervor, Nano-Buchstaben (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01806