Pesquisadores desenvolveram um novo tipo de implante neural que pode restaurar a função de membros amputados e outras pessoas que perderam o uso de seus braços ou pernas.
Em um estudo feito em ratos, pesquisadores da Universidade de Cambridge usaram o aparelho para melhorar a conexão entre o cérebro e os membros paralisados. O dispositivo combina eletrônicos flexíveis e células-tronco humanas – as células mestras “reprogramáveis” do corpo – para melhor integração com o nervo e a função dos membros.
Tentativas anteriores de usar implantes neurais para restaurar a função do membro falharam, pois o tecido cicatricial tende a se formar ao redor dos eletrodos ao longo do tempo, impedindo a conexão entre o dispositivo e o nervo. Ao colocar uma camada de células musculares reprogramadas a partir de células-tronco entre os eletrodos e o tecido vivo, os pesquisadores descobriram que o dispositivo se integrava ao corpo do hospedeiro e evitava a formação de tecido cicatricial. As células sobreviveram no eletrodo durante o experimento de 28 dias, a primeira vez que isso foi monitorado por um período tão longo.
Os pesquisadores dizem que, ao combinar duas terapias avançadas para regeneração nervosa – terapia celular e bioeletrônica – em um único dispositivo, eles podem superar as deficiências de ambas as abordagens, melhorando a funcionalidade e a sensibilidade.
Embora extensas pesquisas e testes sejam necessários antes que possa ser usado em humanos, o dispositivo é um desenvolvimento promissor para amputados ou para aqueles que perderam a função de um ou mais membros. Os resultados foram relatados em 22 de março de 2023, na revista Science Advances.
Um grande desafio ao tentar reverter lesões que resultam na perda de um membro ou na perda da função de um membro é a incapacidade dos neurônios de regenerar e reconstruir circuitos neurais interrompidos.
“Se alguém tem um braço ou uma perna amputada, por exemplo, todos os sinais no sistema nervoso ainda estão lá, mesmo que o membro físico tenha desaparecido”, disse o Dr. Damiano Barone, do Departamento de Neurociências Clínicas de Cambridge, que co-liderou a pesquisa. “O desafio de integrar membros artificiais ou restaurar a função de braços ou pernas é extrair a informação do nervo e levá-la ao membro para que a função seja restaurada.”
Uma maneira de resolver esse problema é implantar um nervo nos grandes músculos do ombro e conectar eletrodos a ele. O problema com essa abordagem são as formas de tecido cicatricial ao redor do eletrodo, além de só ser possível extrair informações no nível da superfície do eletrodo.
Para obter uma melhor resolução, qualquer implante para restaurar a função precisaria extrair muito mais informações dos eletrodos. E para melhorar a sensibilidade, os pesquisadores queriam projetar algo que pudesse funcionar na escala de uma única fibra nervosa ou axônio.
“Um axônio em si tem uma pequena voltagem”, disse Barone. “Mas uma vez que ele se conecta com uma célula muscular, que tem uma voltagem muito maior, o sinal da célula muscular é mais fácil de extrair. É aí que você pode aumentar a sensibilidade do implante.”
Os pesquisadores projetaram um dispositivo eletrônico flexível biocompatível que é fino o suficiente para ser conectado ao final de um nervo. Uma camada de células-tronco, reprogramadas em células musculares, foi então colocada no eletrodo. Esta é a primeira vez que esse tipo de célula-tronco, chamada de célula-tronco pluripotente induzida, é usada em um organismo vivo dessa maneira.
“Essas células nos dão um enorme grau de controle”, disse Barone. “Podemos dizer a eles como se comportar e checá-los durante o experimento. Ao colocar as células entre os componentes eletrônicos e o corpo vivo, o corpo não vê os eletrodos, apenas vê as células, então o tecido cicatricial não é gerado.”
O dispositivo biohíbrido de Cambridge foi implantado no antebraço paralisado dos ratos. As células-tronco, que foram transformadas em células musculares antes da implantação, integraram-se aos nervos do antebraço do rato. Enquanto os ratos não tiveram o movimento restaurado em seus antebraços, o dispositivo foi capaz de captar os sinais do cérebro que controlam o movimento. Se conectado ao resto do nervo ou a um membro protético, o dispositivo pode ajudar a restaurar o movimento.
A camada de células também melhorou a função do dispositivo, melhorando a resolução e permitindo o monitoramento de longo prazo dentro de um organismo vivo. As células sobreviveram ao experimento de 28 dias: a primeira vez que as células demonstraram sobreviver a um experimento prolongado desse tipo.
Os pesquisadores dizem que sua abordagem tem múltiplas vantagens sobre outras tentativas de restaurar a função em amputados. Além de sua integração mais fácil e estabilidade a longo prazo, o dispositivo é pequeno o suficiente para que sua implantação exija apenas uma cirurgia guiada. Outras tecnologias de interface neural para a restauração da função em amputados exigem interpretações complexas específicas do paciente da atividade cortical a serem associadas aos movimentos musculares, enquanto o dispositivo desenvolvido em Cambridge é uma solução altamente escalável, pois usa células “prontas para uso”.
Além de seu potencial para a restauração da função em pessoas que perderam o uso de um membro ou membros, os pesquisadores dizem que seu dispositivo também pode ser usado para controlar membros protéticos, interagindo com axônios específicos responsáveis pelo controle motor.
“Essa interface pode revolucionar a forma como interagimos com a tecnologia”, disse a coautora Amy Rochford, do Departamento de Engenharia. “Combinando células humanas vivas com materiais bioeletrônicos, criamos um sistema que pode se comunicar com o cérebro de maneira mais natural e intuitiva, abrindo novas possibilidades para próteses, interfaces cérebro-máquina e até mesmo aprimorando habilidades cognitivas.”
“Esta tecnologia representa uma nova abordagem empolgante para implantes neurais, que esperamos abrirá novos tratamentos para pacientes necessitados”, disse o co-autor Dr. Alejandro Carnicer-Lombarte, também do Departamento de Engenharia.
“Foi um empreendimento de alto risco e estou muito satisfeito por ter funcionado”, disse o professor George Malliaras, do Departamento de Engenharia de Cambridge, que liderou a pesquisa. “É uma daquelas coisas que você não sabe se vai demorar dois ou dez anos para dar certo, e acabou acontecendo com muita eficiência.”
Os pesquisadores agora estão trabalhando para otimizar ainda mais os dispositivos e melhorar sua escalabilidade. A equipe entrou com um pedido de patente da tecnologia com o apoio da Cambridge Enterprise, braço de transferência de tecnologia da Universidade.
A tecnologia se baseia em células musculares habilitadas para opti-ox. opti-ox é uma tecnologia de reprogramação celular de precisão que permite a execução fiel de programas genéticos em células, permitindo que sejam fabricados de forma consistente em escala. As linhas de células iPSC musculares habilitadas para opti-ox usadas no experimento foram fornecidas pelo laboratório Kotter da Universidade de Cambridge. A tecnologia de reprogramação opti-ox é propriedade da empresa de biologia sintética bit.bio.
Publicado em 27/03/2023 01h30
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