3D-printede støttestrukturer til reparation af rygmarven

Mere end 15 millioner mennesker verden over lever med rygmarvsskade (SCI). Kun i USA lider over 300.000 mennesker af SCI, ifølge National Spinal Cord Injury Statistical Center.

På trods af disse tal er der i virkeligheden ingen måde at vende skaden fra skaden på. Men i betragtning af den ødelæggende effekt SCI har på patienterne og samfundet, undersøger forskere og virksomheder aktivt effektive behandlinger.

Den globale pris for rygmarvsskade (SCI)

Rygmarvsskade (SCI) er en stærkt invalidiserende tilstand, der kraftigt begrænser en persons evne til at udføre daglige aktiviteter. 

Den involverer skade på rygmarven, en central nervestruktur, der strækker sig fra hjernen ned til lænden. Som en nøgledel af centralnervesystemet, transporterer rygmarven nervesignaler mellem hjernen og kroppen.

Dette lange, cylindriske rør af væv løber i midten af vores rygsøjle og er beskyttet af ryghvirvlerne og tre lag membraner. Men aktiviteter som fald, trafikulykker samt motorcykel- og bilkollisioner kan forårsage skade på rygmarven. 

Mænd er mere almindeligt påvirket af rygmarvsskade end kvinder.

Afhængigt af hvordan skaden påvirker rygmarven og skadens placering, er den inddelt i den cervikale del (hals), thorakale del (øverste ryg til under navlen), lumbale del (nedre ryg), og sakrale del (balle til haleben).

Der er i alt 31 segmenter i den menneskelige rygmarv, bestående af 8 cervikale, 12 thorakale, fem lumbale, fem sakrale og ét coccygeale segment. 

Med hensyn til sværhedsgrad kan rygmarvsskaden være komplet, uden motorisk eller sensorisk funktion under skadens niveau, eller ufuldstændig, hvor noget funktion bevares.

Enhver skade på rygmarven kan påvirke vores bevægelse, funktion og fornemmelse. Ud over fysisk svækkelse kan personer med SCI også opleve mentale, følelsesmæssige og sociale bivirkninger.

Et alvorligt tilfælde af SCI kan forårsage lammelse, men døden er også mulig. Personer med denne tilstand dør ofte tidligere på grund af utilstrækkelig adgang til eller dårlig kvalitet af sundhedsydelser, og deres hospitalsdødelighed er næsten tre gange højere i lav- og mellemindkomstlande end i højindkomstlande.

Personer med rygmarvsskade er også i risiko for at udvikle invaliderende og endda livstruende sekundære tilstande.

Mens børn med denne tilstand er mindre tilbøjelige til at starte i skole, og hvis de er indskrevet, mindre tilbøjelige til at avancere, har voksne med SCI arbejdsløshedsprocenter på over 60 %. De lavere skole- og økonomiske deltagelsesrater medfører derfor betydelige individuelle såvel som samfundsmæssige omkostninger. 

Effektive behandlinger er afgørende for at lette den globale byrde af SCI.

Banebrydende behandlinger for rygmarvsskade under udvikling

Forskere over hele verden har arbejdet på at finde måder at reparere rygmarvsskader. Studier, der søger nye behandlinger, pågår over hele verden, og åbner døre til forbedrede resultater efter disse skader.

For blot et par måneder siden, i en banebrydende undersøgelse, udviklede forskere et ultra-tyndt implantat¹, der placeres direkte på rygmarven og leverer elektriske strømme til den beskadigede del, og efterligner naturlige signaler for at stimulere nerveheling.

Når testet på rotter, genoprettede enheden bevægelse og berøringsfølelse uden at forårsage betændelse eller anden skade.

“I modsætning til et snit i huden, som typisk heler af sig selv, regenererer rygmarven ikke effektivt, hvilket gør disse skader ødelæggende og i øjeblikket uhelbredelige.”

– Hovedforsker Dr Bruce Harland, seniorforsker ved School of Pharmacy på Waipapa Taumata Rau, University of Auckland

Med deres implantat sigter teamet mod at ændre dette. På lang sigt er idéen at gøre det til “en medicinsk enhed, der kan gavne mennesker, der lever med disse livsændrende rygmarvsskader.”

I endnu en undersøgelse i år demonstrerede forskere imponerende restitutionsrater for SCI² ved at kombinere lukket-loop vagusnervestimulering (CLV) med individualiseret rehabilitering.

De elektriske pulser sendes til hjernen gennem en lille enhed, der er implanteret i nakken. Den tidsindstilles til at sende pulserne under rehabiliteringsøvelser. Stimulering af vagusnerven under fysioterapi har vist sig at omstrukturere hjerneområder, der er beskadiget af slagtilfælde, og forbedre restitutionen.

Undersøgelsen tjente faktisk som en klinisk prøve, hvor implantatet hjalp deltagere med kronisk, ufuldstændig cervikal SCI med at opnå betydelig forbedring i arm- og håndstyrke.

Baseret på mere end et årti af bioingeniør- og neurovidenskabsindsats ved UT Dallas, vil den seneste tilgang nu gå videre for at overvinde den sidste barriere til potentiel FDA-godkendelse for behandling af overekstremitetssvaghed på grund af SCI.

Sidste år udviklede et team af kirurger, neurovidenskabsfolk og ingeniører fra University of Cambridge også ‘wraparound’ implantater til behandling af SCI³.

Som navnet antyder, omslutter den tynde, lille, højopløselige elektroniske enhed rygmarven, hvilket muliggør 360-graders optagelse og stimulering af rygmarven. Den kan også omgå en komplet SCI, hvor kommunikationen var afbrudt.

Selvom en behandling for rygmarvsskader er langt væk, kan enheden hjælpe os med bedre at forstå denne uudforskede del af menneskelig anatomi på en ikke-invasiv måde og dermed bidrage til udviklingen af bedre terapier.

Endnu en undersøgelse, der bruger elektrisk stimulation til at behandle SCI, kom fra Royal College of Surgeons i Irland (RCSI).

Denne detaljerede en 3D-printet implantat⁴, der efterligner strukturen af rygmarven med et ultra-tyndt, elektrisk ledende net, der leverer målrettet stimulation til beskadigede områder, og fremmer neuron- og stamcellevækst.

Teamet var i stand til at forbedre deres enheds effektivitet ved at justere fibertilpasningen, hvilket åbner muligheder for anvendelse inden for ortopædi, kardiologi og neurologisk heling.

I mellemtiden har forskere fra Rutgers University anvendt AI og robotteknologi til at behandle SCI. De brugte teknologien til at formulere højt følsomme terapeutiske proteiner, så teamet med succes kunne stabilisere enzymet Chondroitinase ABC (ChABC), som er kendt for at reducere ardannelse som følge af SCI og fremme vævsregenerering. 

Enzymet ChABC er ekstremt ustabilt ved normal menneskelig kropstemperatur (98.6°F), og mister sin aktivitet inden for kun få timer. Som følge heraf er gentagne højdosisinfusioner ofte nødvendige for at opretholde terapeutisk effekt. Syntetiske copolymerer kan dog omslutte enzymer og hjælpe med at stabilisere dem i ellers fjendtlige miljøer.

Forskerne brugte flydende håndteringsrobotik til at syntetisere og teste forskellige copolymerers evne til at stabilisere ChABC og opretholde aktivitet ved 98.6° F. De fandt flere copolymerer, der kunne gøre det, hvor en kombination af copolymerer bevarede 30% af enzymet i op til en uge, et lovende resultat for SCI-patienter.

Nu har forskere fra University of Minnesota Twin Cities bygget et 3D-printet skaler med mikroskala kanaler, der guider stamceller vækst ind i arbejdende nerveceller. Det fremmer axonal vækst, cellemodning, og neurale netværksdannelse.

Teknikken har med succes genoprettet bevægelse hos rotter med afskåret rygmarv, hvilket lover at transformere fremtidig behandling for mennesker med rygmarvsskader.

Swipe to scroll →

3D-printede støttestrukturer til reparation af rygmarven

Selvom der er gjort betydelige fremskridt i klinisk håndtering for at forbedre patienternes livskvalitet, fortsætter rygmarvsskader med at forekomme. Derudover findes der i øjeblikket ingen behandlinger til rådighed for den.

Givet kompleksiteten af rygmarvsskade, ville nye behandlingsmuligheder være meget velkomne og gavnlige for patienter med SCI.

Den nye undersøgelse rapporterer transplantation af regionelt specifikke neurale progenitorceller (sNPCs) som en afgørende tilgang for funktionel genopretning. Disse celler har vist at etablere fungerende forbindelser med neurale kredsløb på tværs af det beskadigede område. 

Men, for at maksimere den regenerative kapacitet, er det ikke kun nødvendigt at definere populationer af transplanterede celler og administrere regionelt specifikke celler til det beskadigede område, men at definere mekanismen for disse cellers handling er også udfordrende. 

Selvom studier har vist funktionelle fordele ved forskellige terapier, vil de ikke overføres til kronisk SCI på grund af, at de primært er neurobeskyttende mekanismer i akutte og subakutte skader. Der er simpelt et behov for at forfølge nye strategier, såsom etablering af en relæmekanisme ved at integrere transplanterede celler i det neurale kredsløb. 

Rygmarvsorganoider udgør et ideelt substrat for dette foretagende. De er, trods alt, mest strukturelt lig rygmarven. Her har brugen af 3D til neural stamcelletransplantation vist lovende resultater.

Du kan ikke rigtig injicere celler direkte i rummet i rygmarven, da det giver utilstrækkelig strukturel støtte. Dette problem kan løses ved 3D-printede støttestrukturer, som ikke kun tilbyder strukturel støtte men også giver biologisk og mekanisk vejledning for cellerne. 

3D-printteknologier har også vist evnen til at skabe cellebelastede støttestrukturer, der kan matche formen af læsionområdet, potentielt forbedre graft-host interaktioner efter transplantation. 

Anvendelsen af 3D-printede støttestrukturer på organoider er stadig i de tidlige faser.

Så, forskerne fra University of Minnesota skabte 3D-printede rygmarvsorganoid‑støttestrukturer ved brug af humane inducerede pluripotente stamceller (iPSC)-afledte sNPCs, som har tendens til at undgå immunafstødning.

Studier har vist, at PSC-afledte regionelt specifikke sNPCs kan bevare deres regionale specificitet efter transplantation. De fleste af disse celler differentierer til neuroner for at erstatte tabte eller beskadigede celler og dermed efterligne rygmarvsvæv. 

Når det kommer til materialet til udskrivning af støttestrukturer, vendte teamet sig mod silikone, som er bredt anvendt i medicinske anvendelser.  

Afledt af naturlige elementer er silikone en syntetisk polymer der er kendt for sin høje biokompatibilitet og fremragende oxidationsbestandighed. Dens høje gaspermeabilitet understøtter samtidig overlevelsen af iltkrævende celler.

Desuden er den ikke nedbrydelig i naturen, hvilket gør silikone til et egnet støttestruktursmateriale til at dyrke trykte celler i organoider, da den ikke falder fra hinanden. Forskningsholdet har også tidligere analyseret silikone‑støttestrukturer i et kontrolleret laboratoriemiljø.

Så gik teamet videre med at bygge 3D-bioprintede rygmarvsorganoid‑silicone‑støttestrukturer for at fremme funktionel genopretning i en rotte med en transekteret rygmarv. 

Brobygning mellem håb og heling med en funktionel ramme

I denne nye tilgang har forskere fra University of Minnesota kombineret stamcellebiologi, laboratoriedyrkede væv og 3D-printning for at helbrede rygmarvsskader.

Den innovative proces blev detaljeret i undersøgelsen med titlen 3D-Printed Scaffolds Promote Enhanced Spinal Organoid Formation for Use in Spinal Cord Injury⁵, som for nylig blev offentliggjort i det fagfællebedømte videnskabelige tidsskrift Advanced Healthcare Materials.

Med den nye forskning adresserer de store udfordringer ved skaden, nemlig døden af nerveceller og manglende evne for nerfibre at vokse på tværs af skadestedet.

Den unikke 3D-printningsramme som de har skabt for organer dyrket i laboratoriet kaldes en organoid‑støttestruktur. Den 3D‑støttestruktur med mikroskala kanaler blev printet lag for lag mens sNPCs blev placeret i mikrokanaler ved hjælp af et ekstruderingsbaseret multi-material printningssystem.

sNPCs er en type humane stamceller, der er programmeret til at være specifikke for den menneskelige rygmarv, med målet om at blive brugt til fremtidige celle‑erstatningsbehandlinger efter rygmarvsskade. Disse celler deler sig og differentierer til specifikke typer af modne celler. 

I modsætning til hjerne‑afledte neurale stamceller integrerer sNPCs i værtsrygmarven og differentierer til neuroner, danner neurale netværk som er essentielle for funktionel genopretning og genoprettelse af forbindelser inden for eksisterende neurale kredsløb. 

“Vi bruger de 3D‑printede kanaler i støttestrukturen til at dirigere væksten af stamcellerne, hvilket sikrer, at de nye nerfibre vokser på den ønskede måde,” sagde undersøgelsens første forfatter, Guebum Han, en tidligere postdoktor i maskiningeniør ved University of Minnesota, som nu arbejder hos Intel (INTC ) Corporation. “Denne metode skaber et relæsystem, der, når placeret i rygmarven, omgår det beskadigede område.”

Forskerne testede deres ramme på rotter for at kontrollere dens levedygtighed. Støttestrukturerne blev transplanteret i rotter, hvis rygmarv var fuldstændigt afskåret, og cellerne differentierede succesfuldt til neuroner.

Ved tolv ugers post‑transplantation, mens de fleste celler inden for støttestrukturerne differentierede til neuroner, udvidede mange sig ind i værtsrygmarven. Nerfibre blev udvidet i rostral (mod hovedet) såvel som caudal (mod halen) retning, og dannede nye forbindelser med værtsens eksisterende nerfcirkulation.

De nye nerfceller integrerede sig problemfrit i rotte‑rygmarvsvævet over tid, hvilket førte til betydelig funktionel genopretning. Ifølge Ann Parr, professor i neurokirurgi ved University of Minnesota:

“Regenerativ medicin har indført en ny æra inden for forskning i rygmarvsskader. Vores laboratorium er begejstret for at udforske det fremtidige potentiale af vores ‘mini-rygmarv’ for klinisk oversættelse.”

Forskningen er stadig i sin indledende fase, selvom den er tidlig, tilbyder den et potentielt nyt og transformerende behandlingsalternativ for dem med rygmarvsskader.

Finansieret af Spinal Cord Society, National Institutes of Health og State of Minnesota Spinal Cord Injury and Traumatic Brain Injury Research Grant Program, sigter forskerholdet nu mod at skalere produktionen af deres teknologi.

Desuden vil teamet fortsætte med at udvikle deres kombination af teknologier: sNPCs, organoid‑sammensætning og 3D‑printningsstrategier for fremtidige kliniske anvendelser.

Investering i næste generations rygmarvsreparation

En af verdens største medicinsk udstyrsvirksomheder, Medtronic plc (MDT ), har dyb ekspertise inden for implantater, neurale grænseflader og FDA‑godkendte enheder.

Den har også udviklet rygmarvsstimulatorer og neuromodulationsenheder til smerte og bevægelsesforstyrrelser.

Virksomhedens genopladelige rygmarvsstimulering (SCS) enheder inkluderer Inceptiv og Intellis samt den opladningsfri Vanta. Disse små, komfortable enheder tilbyder personlig smertelindring med lukket-loop sensorteknologi og terapijusteringer baseret på kropsposition, mens de tillader brugere at have fuld‑krops MRI-scanninger.

Medtronic’s ikke‑opioide behandlingsmulighed er designet til at lindre kronisk smerte ved at levere små elektriske pulser, der forstyrrer smertesignaler, før de når hjernen.

Medtronic plc (MDT )

Tidligere i år frigav virksomheden årslange data fra sin kliniske prøve, der evaluerede Inceptivs lukkede‑loop rygmarvsstimulator (CL‑SCS) hos patienter med bensmerter og kronisk lændesmerte (CLBP). Dataene viste fordele i smertelindring, fysisk funktion og livskvalitet, mens overstimulering blev reduceret.

Den lukkede‑loop funktion registrerer hver persons unikke biologiske signaler og justerer stimuleringen efter behov. 

Det Irland‑baserede globale sundhedsfirma har som mål at lindre smerte, genoprette sundhed og forlænge livet gennem sine teknologier og terapier, der behandler 70 sundhedstilstande, herunder insulinpumper, hjerteapparater, kirurgiske værktøjer, kirurgisk robotteknik, patientovervågningssystemer og mere.

Kardiologisegmentet er Medtronics kerneforretning, der udgør 37% af omsætningen, efterfulgt af neurovidenskab, medicinsk kirurgi og andre, som primært omfatter diabetesbehandling.

Med en markedsværdi på 118 milliarder dollars handles MDT-aktier i øjeblikket til 92,36 $, op 15,24% YTD. Den har en EPS (TTM) på 3,62 og en P/E (TTM) på 25,44. Medtronic tilbyder også sine aktionærer et udbytte på 3,09%.

Med hensyn til finanser rapporter verdens største medtech‑virksomhed efter omsætning en stigning på 8,4% i omsætning til 8,6 milliarder dollars for første kvartal af regnskabsåret 2026, som sluttede 25. juli 2025.

Dens GAAP fortyndede EPS var 0,81 $, og dens non‑GAAP fortyndede EPS var 1,26 $.

Mens CEO Geoff Martha bemærkede konsistent organisk omsætningsvækst og styrke fra flere produktkategorier, delte CFO Thierry Piéton tillid til at opnå endnu bedre resultater fremover, da Medtronic udfører “effektiviseringer i produktion, forsyningskæde og driftsomkostninger for at drive indtjeningsvækst, og øge vores vækstinvesteringer i F&U, salg og markedsføring.

Denne måned annoncerede medicinsk‑udstyrsproducenten tilføjelsen af to nye direktører til sit bestyrelse for at søge investeringsmuligheder og øge indtjeningsvæksten. Den har også oprettet en vækstkomité for at hjælpe den bagudgående aktieperformance.

Seneste Medtronic plc (MDT) aktienyheder og -udviklinger

Konklusion

Rygmarvsskade er en ødelæggende neurologisk tilstand, der kan føre til betydelige livslange funktionelle begrænsninger. Den udgør også en betydelig byrde for enkeltpersoner, familier og sundhedssystemer, hvilket gør det kritisk at finde bedre behandlinger og muligvis reparere denne nøgledel af vores centralnervesystem.

Med organoider, bioengineering og 3D‑printning tackler forskere et af medicinens sværeste problemer. Selvom menneskelige terapier stadig er flere år væk, kan teknologien, når den er skaleret og realiseret, hjælpe millioner med at komme sig og genvinde deres uafhængighed.

Referencer:

1. Harland, B., Matter, L., Lopez, S., et al. Daily electric field treatment improves functional outcomes after thoracic contusion spinal cord injury in rats. Nature Communications, 16, 5372, offentliggjort 26 juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-60332-0
2. Kilgard, M.P., Epperson, J.D., Adehunoluwa, E.A., et al. Closed-loop vagus nerve stimulation aids recovery from spinal cord injury. Nature, 643, 1030–1036, offentliggjort 21 maj 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09028-5
3. Woodington, B.J., Lei, J., Carnicer-Lombarte, A., Güemes-González, A., Naegele, T.E., Hilton, S., El-Hadwe, S., Trivedi, R.A., Malliaras, G.G., & Barone, D.G. Flexible circumferential bioelectronics to enable 360-degree recording and stimulation of the spinal cord. Science Advances, 10(19), eadl1230, offentliggjort 8 maj 2024. https://doi.org/10.1126/sciadv.adl1230
4. Woods, I., Spurling, D., Sunil, S., O’Callaghan, A.M., Maughan, J., Gutierrez-Gonzalez, J., McGuire, T.K., Leahy, L., Dervan, A., Nicolosi, V., & O’Brien, F.J. 3D-printing of electroconductive MXene-based micro-meshes in a biomimetic hyaluronic acid-based scaffold directs and enhances electrical stimulation for neural repair applications. Advanced Science, eadvs.202503454, offentliggjort 15 juli 2025. https://doi.org/10.1002/advs.202503454
5. Han, G., Lavoie, N.S., Patil, N., Korenfeld, O.G., Kim, H., Esguerra, M., Joung, D., McAlpine, M.C., & Parr, A.M. 3D-printed scaffolds promote enhanced spinal organoid formation for use in spinal cord injury. Advanced Healthcare Materials, eadhm.202404817, offentliggjort 23 juli 2025. https://doi.org/10.1002/adhm.202404817