Il dispositivo di impianto stampato in 3D stimola i nervi nel cervello degli uccelli per un possibile trattamento delle malattie umane
Utilizzando un nuovo dispositivo impiantabile su microscala stampato in 3D, un team di ricercatori ha registrato con successo gli impulsi elettrici che guidano le vocalizzazioni nel sistema nervoso periferico degli uccelli. Grazie a una tecnica personalizzata che si basa sulla microfabbricazione a film sottile e sulla stampa 3D su nanoscala , sono stati in grado di fabbricare una nanoclip del diametro di un capello umano. È il primo elettrodo a cuffia per la registrazione o la stimolazione dei nervi periferici fabbricato su una scala compatibile con i nervi più piccoli del corpo e che potrebbe portare a un nuovo trattamento per un’ampia gamma di malattie
La tecnica, descritta in un 21 agosto 2020 articolo sulla rivista Nature Communications , mostra come il piombo investigatore Tim Gardner, un neuroscienziato presso l’University of Oregon s’ Phil e Penny Cavaliere Campus per accelerare Scientific Impact , insieme a ricercatori di Boston University e La divisione bioelettronica di GlaxoSmithKline è stata in grado di fabbricare il nanoclip su questa scala molto piccola. Inoltre, il team di ricerca di Gardner ha descritto la registrazione con successo degli impulsi elettrici che guidano le vocalizzazioni dopo l’impianto del dispositivo in diversi fringuelli zebra maschi adulti, un tipo di uccello canoro.
Secondo Gardner, la ricerca è vista come un progresso nel campo emergente della medicina bioelettronica e alla fine potrebbe portare a un nuovo trattamento per malattie come la sindrome infiammatoria intestinale, l’artrite reumatoide e il diabete. L’obiettivo della medicina bioelettronica è decodificare e modulare i segnali del sistema nervoso periferico per ottenere il controllo terapeutico degli organi e degli effettori mirati. Gli esperti suggerisconoil campo potrebbe rivoluzionare la medicina e migliorare drasticamente i risultati e ridurre il costo dell’assistenza sanitaria influendo sulle funzioni del corpo come alternativa o integrazione agli interventi farmacologici. Tuttavia, la miniaturizzazione dei dispositivi è uno dei fattori chiave di successo della futura medicina bioelettronica e, secondo i ricercatori dello studio, il campo si basa ancora su alcuni dispositivi basati su elettrodi che si rivelano difficili da utilizzare.
Gardner e colleghi hanno suggerito che il nanoclip può decodificare e modulare i segnali elettrici che viaggiano nel sistema nervoso periferico, che contiene nervi e cellule neuronali al di fuori del cervello e del midollo spinale che controllano gli organi terminali. Inoltre, la medicina bioelettronica cerca di modulare questi segnali per trattare problemi cronici come l’asma, il controllo della vescica, l’ipertensione, la sindrome dell’ovaio policistico o anche la risposta infiammatoria dannosa in alcuni casi COVID-19.
“Penso che molti dispositivi futuri comporteranno una combinazione di microfabbricazione a film sottile utilizzando processi standard per camere bianche e stampa 3D su scala micron”, ha detto Gardner, che è entrato a far parte dell’Università dell’Oregon nel giugno 2019, dopo aver trascorso anni nel suo laboratorio presso Dipartimento di ingegneria biomedica dell’Università di Boston , dove originariamente ha svolto la maggior parte delle ricerche per questo studio . “Questo vale per gli impianti biomedici, nonché per i dispositivi per la fisica sperimentale e altri campi”.
Le nanoclip per lo studio sono state prodotte utilizzando una stampante 3D progettata dal team di ricerca. La stampante, ha detto Gardner, può produrre i dispositivi fino a 20 volte più velocemente rispetto alle stampanti esistenti in commercio che funzionano a una risoluzione simile. L’interfaccia nervosa in microscala è stata fabbricata utilizzando un sistema di scrittura laser diretto personalizzato che stampa l’ancoraggio da progetti di file CAD standard che, in questo caso, utilizzavano il software di progettazione 3D Dassault Systèmes Solidworks . Grazie alla velocità di stampa e al design digitale, i ricercatori hanno potuto produrre nanoclip con una gamma di dimensioni e forme per ottenere un adattamento ottimale.
Per realizzare un dispositivo impiantabile che corrisponda alla scala di piccoli nervi, la matrice di elettrodi a film sottile era composta da uno strato di oro di 50 nanometri incapsulato tra strati di poliimmide isolante e biocompatibile. Lo spessore e la larghezza ridotta del dispositivo hanno prodotto una bassa rigidità alla flessione, paragonabile a quella dei tessuti periferici. L’elettrodo multisito a film sottile è stato fabbricato su misura utilizzando tecniche di microfabbricazione a film sottile di poliimmide e successivamente è stato saldato a filo a un circuito stampato per il collegamento all’apparecchiatura di prova.
Oltre a ottenere registrazioni stabili e con un elevato rapporto segnale / rumore dei segnali nervosi durante le vocalizzazioni nei 37 uccelli zebra finch maschi adulti utilizzati durante lo studio, il dispositivo ha consentito ai ricercatori di controllare con precisione l’uscita del nervo. Sono stati in grado di evocare vocalizzazioni distinte per diversi modelli spaziali di attivazione su sei contatti elettrici all’interno del nanoclip. Questo tipo di controllo spaziotemporale può essere utile per futuri impianti biomedici che cercano non solo di attivare un nervo ma lo fanno con selettività spaziale per strutture specifiche all’interno dei nervi che hanno funzioni diverse nell’organo terminale, hanno descritto gli autori dello studio.
Schema per la registrazione cronica dell’attività nell’uccello che canta dopo che una nanoclip è stata impiantata sul lato destro del nervo tracheosiringeo dell’uccello canoro. Il software di acquisizione attivato dal brano ha catturato sia la vocalizzazione che l’attività nervosa.
Una delle caratteristiche chiave del dispositivo era la facilità dell’impianto chirurgico, che rimane un importante problema in sospeso nella futura medicina bioelettronica.
“Immagina di dover manipolare un piccolo nervo e posizionare un dispositivo su di esso usando una pinza sia per aprire un elettrodo della cuffia che per posizionarlo sul nervo. La micromanipolazione richiesta con gli attuali elettrodi a cuffia può essere dannosa per i nervi più piccoli. Al contrario, la nanoclip fabbricata in 3D può essere impiantata semplicemente spingendola sul nervo. Questa facilità di impianto può consentire il buco della serratura o altri interventi chirurgici minimamente invasivi “, ha descritto Gardner. “Questo studio è davvero un primo test per nuovi metodi di fabbricazione incentrati su strutture submillimetriche. Uno degli obiettivi del lavoro nel mio laboratorio nel Knight Campus è perfezionare i metodi per integrare la fabbricazione di film sottili e la stampa 3D con risoluzione micron e utilizzare questi strumenti per creare nuovi tipi di dispositivi “.
I coautori dello studio hanno ritenuto che il loro nano-dispositivo fosse in grado di fornire un nuovo riferimento per l’impianto sicuro, registrazioni stabili ad alto rapporto segnale / rumore su linee temporali di più settimane e modulazione precisa dei piccoli nervi periferici. Sebbene lo sviluppo del nanoclip si avvantaggi di altri dispositivi utilizzati per decenni, qui i ricercatori sono stati in grado di combinare diversi fattori per adattare strettamente il dispositivo al nervo. Sebbene questo studio abbia avuto successo, i ricercatori si aspettano che il futuro lavoro di base su specie e nervi aggiuntivi sarà necessario per convalidare ulteriormente il potenziale del nanoclip.
Schema per registrazioni croniche simultanee di due nanoclip. (Immagine per gentile concessione di Timothy Gardner / Nature Communications journal)
Gli autori hanno concluso che per far progredire la terapia bioelettronica, la scienza di base della segnalazione nervosa in relazione alla funzione fisiologica deve essere ampliata. Affermando che “la maggior parte degli studi esistenti fornisce solo brevi istantanee della funzione nervosa – tipicamente in momenti vicini all’intervento chirurgico o successivamente in anestesia – e potrebbero non rivelare il vero funzionamento di base dei nervi”. Tali registrazioni intermittenti non sono adatte a tracciare in modo affidabile i segnali nel tempo, rendendo difficile discernere come le dinamiche dei circuiti periferici siano modellate su scale temporali più lunghe da processi di sviluppo, malattia e riparativi “.
Supportata dal National Institutes of Health (NIH) e da un accordo di ricerca sponsorizzato con GlaxoSmithKline, la ricerca ha dimostrato che le nanoclip di dimensioni precise potrebbero ottenere una precisa modulazione funzionale di una siringa di uccelli canori. L’autore principale dello studio Timothy Otchy, professore assistente di ricerca presso la Boston University, insieme ai suoi colleghi, ha dimostrato un controllo flessibile e preciso di un organo finale. Mettere a portata di mano una nuova generazione di terapie bioelettroniche incentrate sul controllo a circuito chiuso della funzione dei circuiti periferici e potrebbe diventare la chiave per il progresso dell’assistenza sanitaria nei prossimi decenni.
