3D‑tulostetut tukirakenteet selkäytimen korjaamiseen

Yli 15 miljoonaa ihmistä maailmanlaajuisesti elää selkäydinvamman (SCI) kanssa. Yhdysvalloissa yksinään yli 300 000 ihmistä kärsii SCI:stä, kansallisen Selkäydinvamman Tilastokeskuksen mukaan.

Näistä luvuista huolimatta on todella ei ole keinoa kääntää vamman aiheuttamaa vahinkoa. Mutta ottaen huomioon SCI:n tuhoisa vaikutus potilaisiin ja yhteiskuntaan, tutkijat ja yritykset etsivät aktiivisesti tehokkaita hoitoja.

Selkäydinvamman (SCI) maailmanlaajuinen taakka

Selkäydinvamma (SCI) on erittäin lamaannuttava tila, joka rajoittaa voimakkaasti henkilön kykyä suorittaa päivittäisiä toimintoja. 

Se sisältää vaurioita selkäytimessä, keskeisessä hermorakenteessa, joka ulottuu aivoista alas alas alas.Keskeisenä avainosana keskushermostossa, selkäydin kuljettaa hermosignaaleja aivojen ja kehon välillä.

Tämä pitkä, sylinterimäinen putki, joka on koostunut kudoksista, kulkee selkärankamme keskellä ja on suojattu nikamien ja kolmen kerroksen kalvojen toimesta. Mutta toiminta kuten kaatumiset, ajoneuvotapaturmat sekä moottoripyörä- ja autokolarit voivat aiheuttaa vaurioita selkäytimeen. 

Miehiä koskee selkäydinvamma useammin kuin naisia.

Vamman vaikutustavan ja sijainnin mukaan se luokitellaan niskan (kaularanka), rintarangan (yläselkä napanuoran alapuolelle), lannerangan (alempi selkä) ja ristiselän (pakara – häntäluu) alueisiin.

Ihmisellä on yhteensä 31 selkäydinsegmenttiä, joihin kuuluu 8 kaularankaa, 12 rintarankaa, viisi lannerankaa, viisi ristiselkää ja yksi häntäluun segmentti. 

Vakavuuden mukaan selkäydinvamma voi olla täydellinen, ilman motorisia tai sensorisia toimintoja vamman tason alapuolella, tai epätäydellinen, jossa osa toiminnasta on säilynyt.

Mikä tahansa vaurio selkäytimessä voi vaikuttaa liikkumiseemme, toimintaamme ja tuntemuksiimme. Fyysisen heikentymisen lisäksi SCI-potilaat voivat kokea myös mielenterveys-, tunne- ja sosiaalisia sivuvaikutuksia.

Vakava SCI-tapaus voi aiheuttaa halvausta, mutta kuolema on myös mahdollinen. Tämän tilan omaavat ihmiset kuolevat usein aikaisemmin riittämättömän terveyspalvelujen saatavuuden tai heikon laadun vuoksi, ja näin ollen heidän sairaalahenkinen kuolleisuus on lähes kolminkertainen matalan ja keskituloisten maiden kuin korkean tulotason maissa.

Selkäydinvamman omaavat ihmiset ovat myös alttiita kehittymään lamaannuttaville ja jopa henkeä uhkaaville sekundaarisille sairauksille.

Vaikka lapset, joilla on tämä tila, aloittavat koulun vähemmän todennäköisesti, ja jos he pääsevät kouluun, he edistyvät vähemmän, aikuisilla SCI:llä on työttömyysaste yli 60 %. Alemmat koulutus- ja taloudelliset osallistumisasteet aiheuttavat siten merkittäviä yksilöllisiä ja yhteiskunnallisia kustannuksia. 

Tehokkaat hoidot ovat olennaisia SCI:n maailmanlaajuisen taakan lieventämiseksi.

Läpimurtohoidot selkäydinvamman hoitoon kehitteillä

Tiedemiehet koko maailmassa ovat työskennelleet löytääkseen keinoja korjata selkäydinvammoja. Uusien hoitojen etsintää koskevat tutkimukset ovat käynnissä koko maailmassa, avaten ovia parempiin tuloksiin näiden vammojen jälkeen.

Muutama kuukausi sitten, mullistavassa tutkimuksessa, tutkijat kehittivät ultra‑ohut implantti¹, joka istuu suoraan selkäytimen päälle ja toimittaa sähkövirtoja vaurioituneelle alueelle, jäljitellen luonnollisia signaaleja hermojen paranemisen stimuloimiseksi.

Kun testattiin rottilla, laite palautti liikkeen ja kosketuksen tuntoa ilman tulehdusta tai muuta vahinkoa.

“Toisin kuin ihon haava, joka yleensä paranee itsestään, selkäydin ei uusiudu tehokkaasti, mikä tekee näistä vammoista tuhoisia ja tällä hetkellä parantumattomia.”

– Pääasiallinen tutkija tohtori Bruce Harland, vanhempi tutkimusavustaja Farmasian koulussa Waipapa Taumata Rau, University of Auckland

Implanttinsa avulla tiimi pyrkii muuttamaan tätä. Pitkällä aikavälillä tavoitteena on muuttaa se “lääketieteelliseksi laitteeksi, joka voisi hyödyttää näiden elämää mullistavien selkäydinvammojen kanssa eläviä ihmisiä.”

Vielä yhdessä tutkimuksessa tänä vuonna, tutkijat näyttivät vaikuttavia toipumisasteita SCI:ssä² yhdistämällä suljettu‑silmukka vagushermoston stimulaatiota (CLV) yksilölliseen kuntoutukseen.

Sähköpulssit lähetetään aivoihin pienen laitteen kautta, joka on istutettu kaulaan. Se aikataulutetaan lähettämään pulssit kuntoutusharjoitusten aikana. Vagus‑hermon stimuloiminen fysioterapian aikana on osoitettu uudelleenohjaavan aivoalueita, jotka ovat aivoinfarktin vahingoittamia, ja parantavan toipumista.

Tutkimus toimi itse asiassa kliinisenä kokeiluna, jossa implantti auttoi kroonista, epätäydellistä kaulavammasta kärsiviä osallistujia saavuttamaan merkittävää parannusta käsivarren ja käden voimassa.

Yli vuosikymmenen bioinsinööri‑ ja neurotieteen ponnistelujen pohjalta UT Dallasissa, uusin lähestymistapa pyrkii nyt ylittämään viimeisen esteen mahdollisen FDA‑hyväksynnän saavuttamiseksi yläraajojen heikentymisen hoitoon SCI:n seurauksena.

Viime vuonna Cambridgein yliopiston kirurgien, neurotieteilijöiden ja insinöörien tiimi myös kehitti ‘wraparound’-implanteja SCI:n hoitoon³.

Kuten nimi viittaa, ohut, pieni, korkean resoluution elektroninen laite kietoutuu selkäytimen ympärille, mahdollistaen 360‑asteen tallennuksen ja stimulaation. Se voisi myös ohittaa täydellisen SCI:n, jossa viestintä on katkennut.

Vaikka hoito selkäydinvammoihin on vielä kaukana, laite voi auttaa meitä ymmärtämään paremmin tätä vähän tutkittua ihmisen anatomian osaa ei‑invasiivisesti, ja siten edistää parempien hoitojen kehittämistä.

Vielä yksi tutkimus, jossa käytettiin sähköstimulaatiota SCI:n hoitoon, tuli Irlannin Royal College of Surgeonsilta (RCSI).

Tämä kuvasi 3D‑tulostetun implantin⁴ joka jäljittelee selkäytimen rakennetta ultra‑ohut, sähköä johtava verkko, joka toimittaa kohdennettua stimulaatiota vaurioituneille alueille, edistäen neuronien ja kantasolujen kasvua.

Tiimi pystyi parantamaan laitteensa tehokkuutta säätämällä kuitujen asettelua, avaten mahdollisuuksia sovellukselle ortopedisessa, sydän‑ ja neurologisessa paranemisessa.

Samaan aikaan Rutgersin yliopiston tutkijat ovat hyödyntäneet tekoälyä ja robotiikkaa SCI:n hoitoon. He käyttivät teknologiaa kehittääkseen erittäin herkkiä terapeuttisia proteiineja, mikä mahdollisti tiimin menestyksekkäästi vakauttaa entsyymiä Chondroitinase ABC (ChABC), jonka tiedetään vähentävän SCI:n aiheuttamaa arpikudosta ja edistävän kudosregeneroitumista. 

Entsyymi ChABC on erittäin epävakaa normaalissa ihmisen kehon lämpötilassa (98,6 °F), menettäen aktiivisuutensa vain muutamassa tunnissa. Tämän seurauksena toistuvia suuria annoksia tarvitaan usein terapeuttisen hyödyn ylläpitämiseksi. Synteettiset kopolymeerit voivat kuitenkin ympäröidä entsyymejä ja auttaa vakauttamaan niitä muuten vihamielisissä ympäristöissä.

Tutkijat käyttivät nestekäsittelyrobotiikkaa synteesiin ja testaukseen erilaisille kopolymeerien kyvylle vakauttaa ChABC ja ylläpitää aktiivisuutta lämpötilassa 98,6 °F. He löysivät useita kopolymeerejä, jotka pystyvät tähän, ja yksi kopolymeeriyhdistelmä säilytti 30 % entsyymistä jopa viikon ajan, mikä on lupaava tulos SCI‑potilaille.

Nyt University of Minnesota Twin Citiesin tutkijat rakensivat 3D‑tulostetun tukirakenteen mikroskaalaisilla kanavilla, jotka ohjaavat kantasolujen kasvua toimiviksi hermosoluiksi. Se edistää akselien kasvua, solujen kypsymistä ja neuroniverkoston muodostumista.

Tekniikka on onnistuneesti palauttanut liikkeen rottien, joilla on katkaistu selkäydin, tapauksissa, mikä lupaa mullistaa tulevaisuuden hoidot ihmisillä, joilla on selkäydinvammat.

Pyyhkäise vierittääksesi →

3D‑tulostetut tukirakenteet selkäytimen korjaamiseen

Vaikka merkittäviä edistysaskeleita on saavutettu kliinisessä hoidossa potilaiden elämänlaadun parantamiseksi, selkäydinvammat jatkuvat. Lisäksi, tällä hetkellä ei ole saatavilla hoitoja tälle.

Ottaen huomioon selkäydinvamman monimutkaisuuden, uudet hoitovaihtoehdot olisivat erittäin tervetulleita ja hyödyllisiä SCI‑potilaille.

Uusi tutkimus raportoi alueellisesti spesifisten hermostopronoksisolujen (sNPCs) olevan ratkaiseva lähestymistapa toiminnalliseen palautumiseen. Näiden solujen on todettu muodostavan toimivia yhteyksiä hermostokytkentöihin vaurioituneen alueen yli. 

Kuitenkin, jotta maksimoida regeneratiivinen kapasiteetti, ei ole pelkästään tarpeen määritellä siirrettyjen solujen populaatioita ja antaa alueellisesti spesifisiä soluja vaurioituneelle alueelle, vaan myös näiden solujen toimintamekanismin määrittäminen on haastavaa. 

Vaikka tutkimukset ovat osoittaneet toiminnallisia hyötyjä erilaisista hoidoista, ne eivät siirry krooniseen SCI:hen, koska ne ovat pääasiassa neuroprotektiivisia mekanismeja akuutissa ja subakuutissa vaurioissa. Tarvitaan yksinkertaisesti uusia strategioita, kuten releemekanismin luomista integroimalla siirretyt solut hermoverkkoon. 

Selkäydinorganoidit ovat ihanteellinen alusta tälle hankkeelle. Ne ovat, loppujen lopuksi, rakenteellisesti lähimpänä selkäydintä. Tässä 3D:n käyttö hermokantasolujen siirrossa on osoittanut lupaavuutta.

Et voi oikeastaan injektoida soluja suoraan selkäytimen tilaan, koska se tarjoaa riittämättömän rakenteellisen tuen. Tämä ongelma voidaan ratkaista 3D‑tulostetuilla tukirakenteilla, jotka eivät vain tarjoa rakenteellista tukea, vaan myös antavat biologista ja mekaanista ohjausta soluja varten. 

3D‑tulostusteknologiat ovat myös osoittaneet kyvyn luoda solulla täytettyjä tukirakenteita, jotka voivat vastata vauriokohdan muotoa, mahdollisesti parantaen siirron jälkeisiä siirto‑isäntä‑vuorovaikutuksia. 

3D‑tulostettujen tukirakenteiden soveltaminen organoideihin on kuitenkin vielä alkuvaiheessa.

Joten, University of Minnesota‑tutkijat loivat 3D‑tulostetut selkäydinorganoiditukirakenteet käyttäen ihmisen indusoituja pluripotentteja kantasoluja (iPSC)-peräisiä sNPC:itä, jotka pyrkivät välttämään immuunihylkäämisen.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että PSC‑peräiset alueellisesti spesifiset sNPC:t voivat säilyttää alueellisen spesifisyytensä siirron jälkeen. Suurin osa näistä soluista eriytyy neuroneiksi korvaamaan menettäviä tai vaurioituneita soluja, jolloin ne replikoivat selkäytimen kudosta. 

Kun kyse on tukirakenteiden tulostusmateriaalista, tiimi kääntyi silikoniin, joka on laajasti käytetty lääketieteellisissä sovelluksissa.  

Luonnollisista elementeistä johdettu silikoni on synteettinen polymeeri, joka on tunnettu korkeasta biokompatibiliteetistaan ja erinomaisesta oksidointikestävyydestään. Sen korkea kaasun läpäisevyys tukee samalla hapen kuluttavien solujen selviytymistä.

Lisäksi se on luonnostaan ei‑hajoava, mikä tekee silikonista sopivan tukirakenteen materiaalin tulostettujen solujen kasvattamiseen organoideiksi, koska se ei hajoa. Tutkimusryhmä on myös aiemmin analysoinut silikonitukirakenteita kontrolloidussa laboratorioympäristössä.

Näin ollen tiimi rakensi 3D‑bioprintatut silikoni‑tukirakenteet selkäydinorganoideille edistääkseen toiminnallista palautumista rottiin, jonka selkäydin oli katkaistu. 

Siltaa toivo ja parantuminen toimivan kehyksen avulla

Tässä uudessa lähestymistavassa University of Minnesota‑tutkijat ovat yhdistäneet kantasolubiologian, laboratoriossa kasvatetut kudokset ja 3D‑tulostuksen parantaakseen selkäydinvammoja.

Innovatiivinen prosessi esiteltiin tutkimuksessa nimeltä 3D‑tulostetut tukirakenteet edistävät parannettua selkäydinorganoidien muodostumista selkäydinvamman käyttöön⁵, joka julkaistiin äskettäin vertaisarvioidussa tieteellisessä lehdessä Advanced Healthcare Materials.

Uuden tutkimuksen myötä tiedemiehet käsittelevät tämän vamman päähaastetta, joka on hermosolujen kuolema ja hermojuurten kyvyttömyys kasvaa uudelleen vamman alueen yli.

Ainutlaatuinen 3D‑tulostuskehys jonka he ovat luoneet laboratoriossa kasvatetuille elimille kutsutaan organoiditukirakenteeksi. 3D‑tukirakenne, jossa on mikroskaalisia kanavia, tulostettiin kerros kerrokselta samalla kun sNPC:t sijoitettiin mikrokanelle käyttämällä pursotuspohjaista monimateriaalista tulostusjärjestelmää.

sNPC:t ovat ihmisen kantasolutyyppi, jotka on ohjelmoitu olemaan spesifisiä ihmisen selkäytimelle, tavoitteena käyttää niitä tulevaisuudessa solujen korvaushoidoissa selkäydinvamman jälkeen. Nämä solut jakautuvat ja eriytyvät tiettyihin kypsiin solutyyppeihin. 

Toisin kuin aivoista johdetut hermostokantasolut, sNPC:t integroituvat isäntäselkäytimeen ja eriytyvät neuroneiksi, muodostaen hermoverkkoja välttämättömiä toiminnalliseen palautumiseen ja yhteyksien palauttamiseen olemassa oleviin hermokytkentöihin. 

“Käytämme tukirakenteen 3D‑tulostettuja kanavia ohjaamaan kantasolujen kasvua, mikä varmistaa, että uudet hermokuidut kasvavat halutulla tavalla,” sanoi tutkimuksen ensimmäinen tekijä Guebum Han, entinen University of Minnesota‑koneenrakennustekniikan postdoc‑tutkija, joka työskentelee nykyään Intel Corporatessa. “Tämä menetelmä luo relejärjestelmän, joka sijoitettuna selkäytimeen ohittaa vaurioituneen alueen.”

Tutkijat testasivat kehystään rottien avulla tarkistaakseen sen elinkelpoisuuden. Tukirakenteet siirrettiin rottiin, joiden selkäydin oli täysin katkaistu, ja solut eriytyivät menestyksekkäästi neuroneiksi.

Kaksitoista viikkoa siirron jälkeen, kun suurin osa tukirakenteiden soluista eriytyi neuroneiksi, monet ulottuivat isäntäselkäytimeen. Hermokuidut