Kerangka 3D Cetak untuk Perbaikan Sumsum Tulang Belakang

Lebih dari 15 juta orang di seluruh dunia hidup dengan cedera sumsum tulang belakang (SCI). Di AS saja, lebih dari 300.000 orang menderita SCI, menurut National Spinal Cord Injury Statistical Center.

Meskipun angka-angka ini, sebenarnya tidak ada cara untuk membalikkan kerusakan akibat cedera. Namun mengingat dampak menghancurkan SCI pada pasien dan masyarakat, peneliti serta perusahaan secara aktif mencari perawatan yang efektif.

Beban Global Cedera Sumsum Tulang Belakang (SCI)

Cedera sumsum tulang belakang (SCI) adalah kondisi yang sangat melemahkan yang secara parah membatasi kemampuan seseorang untuk melakukan aktivitas sehari-hari. 

Ini melibatkan kerusakan pada sumsum tulang belakang, struktur saraf pusat yang memanjang dari otak hingga punggung bagian bawah. Sebagai bagian penting dari sistem saraf pusat, sumsum tulang belakang mengirimkan sinyal saraf antara otak dan tubuh.

Tabung panjang silindris yang terbuat dari jaringan ini berjalan di tengah tulang belakang kita dan dilindungi oleh tulang belakang serta tiga lapisan membran. Namun aktivitas seperti jatuh, kecelakaan mengemudi, serta tabrakan sepeda motor dan mobil dapat menyebabkan kerusakan pada sumsum tulang belakang. 

Pria lebih sering terkena cedera sumsum tulang belakang dibandingkan wanita.

Bergantung pada cara cedera memengaruhi sumsum tulang belakang dan lokasi cedera, ia dibagi menjadi tulang leher (cervical), tulang punggung atas (thoracic) hingga di bawah pusar, tulang punggung bawah (lumbar), dan tulang sakral (dari bokong hingga tulang ekor).

Terdapat total 31 segmen pada sumsum tulang belakang manusia, terdiri dari 8 cervical, 12 thoracic, lima lumbar, lima sacral, dan satu coccygeal.

Dari segi keparahan, cedera sumsum tulang belakang dapat bersifat lengkap, tanpa fungsi motorik atau sensorik di bawah tingkat cedera, atau tidak lengkap, di mana sebagian fungsi tetap terjaga.

Setiap kerusakan pada sumsum tulang belakang dapat memengaruhi gerakan, fungsi, dan sensasi kita. Selain gangguan fisik, orang dengan SCI juga dapat mengalami efek samping mental, emosional, dan sosial.

Kasus SCI yang parah dapat menyebabkan kelumpuhan, namun kematian juga mungkin terjadi. Orang dengan kondisi ini sering meninggal lebih dini karena akses layanan kesehatan yang tidak memadai atau kualitas layanan yang buruk, sehingga tingkat mortalitas di rumah sakit hampir tiga kali lebih tinggi di negara berpenghasilan rendah dan menengah dibandingkan negara berpenghasilan tinggi.

Penderita cedera sumsum tulang belakang juga berisiko mengembangkan kondisi sekunder yang melemahkan bahkan mengancam jiwa.

Sementara anak-anak dengan kondisi ini kurang mungkin memulai sekolah, dan jika bersekolah, kurang mungkin melanjutkan, orang dewasa dengan SCI memiliki tingkat pengangguran melebihi 60%. Tingkat partisipasi pendidikan dan ekonomi yang lebih rendah ini menimbulkan biaya signifikan baik bagi individu maupun masyarakat.

Perawatan yang efektif sangat penting untuk mengurangi beban global SCI.

Terobosan Perawatan Cedera Sumsum Tulang Belakang dalam Pengembangan

Ilmuwan di seluruh dunia telah bekerja mencari cara untuk memperbaiki cedera sumsum tulang belakang. Studi yang mencari perawatan baru terus berlangsung di seluruh dunia, membuka peluang hasil yang lebih baik setelah cedera ini.

Beberapa bulan lalu, dalam sebuah studi terobosan, peneliti mengembangkan implan ultra-tipis yang ditempatkan tepat pada sumsum tulang belakang dan mengirimkan arus listrik ke bagian yang terluka, meniru sinyal alami untuk merangsang penyembuhan saraf.¹

Saat diuji pada tikus, perangkat tersebut memulihkan gerakan dan sensasi sentuhan tanpa menyebabkan peradangan atau kerusakan lainnya.

“Berbeda dengan luka pada kulit yang biasanya sembuh dengan sendirinya, sumsum tulang belakang tidak dapat beregenerasi secara efektif, menjadikan cedera ini menghancurkan dan saat ini tidak dapat disembuhkan.”

– Peneliti utama Dr Bruce Harland, peneliti senior di School of Pharmacy, Waipapa Taumata Rau, University of Auckland

Dengan implan mereka, tim berusaha mengubah hal itu. Dalam jangka panjang, idenya adalah menjadikannya “alat medis yang dapat membantu orang yang hidup dengan cedera sumsum tulang belakang yang mengubah hidup ini.”

Dalam studi lain tahun ini, peneliti menunjukkan tingkat pemulihan yang mengesankan untuk SCI dengan menggabungkan stimulasi saraf vagus loop tertutup (CLV) dengan rehabilitasi yang dipersonalisasi.²

Pulsa listrik dikirim ke otak melalui perangkat kecil yang ditanamkan di leher. Pulsa tersebut diatur waktunya untuk dikirim selama latihan rehabilitasi. Stimulasi saraf vagus selama fisioterapi telah terbukti menghubungkan kembali area otak yang rusak akibat stroke dan meningkatkan pemulihan.

Studi tersebut sebenarnya berfungsi sebagai uji klinis, dengan implan membantu peserta yang memiliki SCI serviks kronis dan tidak lengkap memperoleh peningkatan signifikan pada kekuatan lengan dan tangan.

Berdasarkan upaya bioengineering dan neuroscience selama lebih dari satu dekade di UT Dallas, pendekatan terbaru kini akan melanjutkan untuk mengatasi rintangan akhir menuju potensi persetujuan FDA untuk mengobati gangguan anggota atas akibat SCI.

Tahun lalu, tim ahli bedah, neuroscientist, dan insinyur dari University of Cambridge juga mengembangkan implan ‘wraparound’ untuk mengobati SCI.

Seperti namanya, perangkat elektronik tipis, kecil, beresolusi tinggi ini melilit sumsum tulang belakang, memungkinkan perekaman dan stimulasi 360 derajat. Ia juga dapat melewati SCI lengkap di mana komunikasi terputus.

Meskipun perawatan untuk cedera sumsum tulang belakang masih jauh, perangkat ini dapat membantu kita memahami bagian anatomi manusia yang kurang dipelajari ini secara non-invasif, dan pada gilirannya, membantu pengembangan terapi yang lebih baik.

Studi lain yang menggunakan stimulasi listrik untuk mengobati SCI datang dari Royal College of Surgeons di Irlandia (RCSI).

Studi ini merinci implan 3D-cetak yang meniru struktur sumsum tulang belakang dengan jaring ultra-tipis konduktif listrik yang memberikan stimulasi terarah ke area yang rusak, mendorong pertumbuhan neuron dan sel punca.

Tim berhasil meningkatkan efektivitas perangkat mereka dengan menyesuaikan susunan serat, membuka kemungkinan aplikasi dalam penyembuhan ortopedi, kardiak, dan neurologis.

Sementara itu, peneliti Rutgers University telah memanfaatkan AI dan robotika untuk mengobati SCI. Mereka menggunakan teknologi tersebut untuk merumuskan protein terapeutik yang sangat sensitif, memungkinkan tim berhasil menstabilkan enzim Chondroitinase ABC (ChABC), yang dikenal dapat mengurangi jaringan parut akibat SCI dan mempromosikan regenerasi jaringan.

The enzyme ChABC is extremely unstable at normal human body temperature (98.6°F), losing its activity within only a few hours. As a result, repeated high-dose infusions are often needed to maintain therapeutic benefit. Synthetic copolymers, however, can envelop enzymes and help stabilize them in otherwise hostile environments.

Para peneliti menggunakan robotika penanganan cairan untuk mensintesis dan menguji kemampuan berbagai kopolimer dalam menstabilkan ChABC dan mempertahankan aktivitas pada 98,6°F. Mereka menemukan beberapa kopolimer yang mampu melakukannya, dengan satu kombinasi kopolimer mempertahankan 30% enzim selama hingga seminggu, hasil yang menjanjikan bagi pasien SCI.

Sekarang, peneliti University of Minnesota Twin Cities telah membangun kerangka 3D-cetak dengan saluran mikroskala yang membimbing pertumbuhan sel punca menjadi sel saraf yang berfungsi. Ini mempromosikan pertumbuhan akson, pematangan sel, dan pembentukan jaringan neuronal.

Teknik ini berhasil memulihkan gerakan pada tikus dengan sumsum tulang belakang terputus, menjanjikan transformasi perawatan masa depan bagi manusia dengan cedera sumsum tulang belakang.

Swipe to scroll →

Kerangka 3D Cetak untuk Perbaikan Sumsum Tulang Belakang

Meskipun kemajuan signifikan telah dicapai dalam manajemen klinis untuk meningkatkan kualitas hidup pasien, cedera sumsum tulang belakang terus terjadi. Selain itu, saat ini belum ada perawatan yang tersedia untuknya.

Mengingat kompleksitas cedera sumsum tulang belakang, opsi perawatan baru akan sangat disambut dan bermanfaat bagi pasien SCI.

Studi baru melaporkan transplantasi sel progenitor neural regional spesifik (sNPCs) sebagai pendekatan penting untuk pemulihan fungsional. Sel-sel ini telah terbukti membentuk koneksi kerja dengan sirkuit neural di seluruh area yang rusak. 

Namun, untuk memaksimalkan kapasitas regeneratif, tidak hanya diperlukan definisi populasi sel yang ditransplantasikan dan pemberian sel spesifik regional ke area yang rusak, tetapi juga mendefinisikan mekanisme aksi sel-sel tersebut, yang juga menantang. 

Meskipun studi telah menunjukkan manfaat fungsional dari berbagai terapi, mereka tidak akan diterapkan pada SCI kronis karena kebanyakan merupakan mekanisme neuroprotektif pada cedera akut dan subakut. Ada kebutuhan untuk mengejar strategi baru, seperti membangun mekanisme relay dengan mengintegrasikan sel yang ditransplantasikan ke dalam sirkuit neural.

Organoid sumsum tulang belakang menjadi substrat ideal untuk usaha ini. Mereka, setelah semua, paling mirip secara struktural dengan sumsum tulang belakang. Di sini, penggunaan 3D untuk transplantasi sel punca neural telah menunjukkan harapan.

Anda tidak dapat menyuntikkan sel secara langsung ke ruang dalam sumsum tulang belakang, karena itu memberikan dukungan struktural yang tidak memadai. Masalah ini dapat diatasi dengan kerangka 3D-cetak, yang tidak hanya menawarkan dukungan struktural tetapi juga memberikan panduan biologis dan mekanik bagi sel.

Teknologi pencetakan 3D juga telah menunjukkan kemampuan untuk membuat kerangka berisi sel yang dapat menyesuaikan bentuk area lesi, berpotensi meningkatkan interaksi graft-host setelah transplantasi. 

Penerapan kerangka 3D-cetak pada organoid masih dalam tahap awal.

Jadi, peneliti dari University of Minnesota menciptakan kerangka organoid sumsum tulang belakang 3D-cetak dengan menggunakan sel punca pluripoten manusia yang diturunkan dari iPSC (induced pluripotent stem cell), yang cenderung menghindari penolakan imun.

Studi telah menunjukkan bahwa sNPCs yang diturunkan dari PSC regional spesifik dapat mempertahankan spesifisitas regional mereka setelah transplantasi. Mayoritas sel ini berdiferensiasi menjadi neuron untuk menggantikan sel yang hilang atau rusak, sehingga meniru jaringan sumsum tulang belakang. 

Mengenai bahan untuk mencetak kerangka, tim beralih ke silikon, yang secara luas digunakan dalam aplikasi medis.

Berasal dari elemen alami, silikon adalah polimer sintetis yang dikenal karena biokompatibilitas tinggi dan ketahanan oksidasi yang luar biasa. Permeabilitas gasnya yang tinggi mendukung kelangsungan hidup sel yang membutuhkan oksigen.

Selain itu, silikon tidak dapat terdegradasi secara alami, menjadikannya bahan kerangka yang cocok untuk menumbuhkan sel cetak menjadi organoid, karena tidak akan hancur. Tim penelitian juga sebelumnya telah menganalisis kerangka silikon dalam lingkungan laboratorium terkontrol.

Dengan demikian, tim melanjutkan membangun kerangka organoid sumsum tulang belakang silikon yang dicetak 3D bioprint untuk mendorong pemulihan fungsional pada tikus dengan sumsum tulang belakang terpotong.

Menjembatani Kesenjangan Antara Harapan & Penyembuhan dengan Kerangka Fungsional

Dalam pendekatan baru ini, peneliti di University of Minnesota menggabungkan biologi sel punca, jaringan yang ditumbuhkan di laboratorium, dan pencetakan 3D untuk menyembuhkan cedera sumsum tulang belakang.

Proses inovatif tersebut dipaparkan dalam studi berjudul 3D-Printed Scaffolds Promote Enhanced Spinal Organoid Formation for Use in Spinal Cord Injury⁵, yang baru-baru ini dipublikasikan di jurnal ilmiah peer-reviewed Advanced Healthcare Materials.

Dengan penelitian baru ini, para ilmuwan menangani tantangan utama cedera, yaitu kematian sel saraf dan ketidakmampuan serabut saraf untuk tumbuh kembali melintasi area cedera.

Kerangka pencetakan 3D unik yang mereka ciptakan untuk organ yang tumbuh di laboratorium disebut kerangka organoid. Kerangka 3D dengan saluran mikroskala dicetak lapis demi lapis sementara sNPCs dimasukkan ke dalam mikrokanal menggunakan sistem pencetakan multi-material berbasis ekstrusi.

sNPCs adalah jenis sel punca manusia yang diprogram khusus untuk sumsum tulang belakang manusia, dengan tujuan digunakan untuk terapi penggantian sel di masa depan setelah cedera sumsum tulang belakang. Sel-sel ini membelah dan berdiferensiasi menjadi tipe sel matang tertentu.

Berbeda dengan sel punca neural yang berasal dari otak, sNPCs berintegrasi ke dalam sumsum tulang belakang inang dan berdiferensiasi menjadi neuron, membentuk jaringan neural yang penting untuk pemulihan fungsional dan memulihkan koneksi dalam sirkuit neural yang ada.

“Kami menggunakan saluran 3D cetak pada kerangka untuk mengarahkan pertumbuhan sel punca, yang memastikan serabut saraf baru tumbuh sesuai keinginan,” kata penulis pertama studi, Guebum Han, mantan peneliti postdoctoral teknik mesin University of Minnesota yang kini bekerja di Intel (INTC ) Corporation. “Metode ini menciptakan sistem relay yang, ketika ditempatkan di sumsum tulang belakang, melewati area yang rusak.”

Para peneliti menguji kerangka mereka pada tikus untuk memeriksa kelayakannya. Kerangka tersebut ditransplantasikan ke tikus yang sumsum tulangnya sepenuhnya terputus, dan sel-sel berhasil berdiferensiasi menjadi neuron.

Pada dua belas minggu setelah transplantasi, sementara sebagian besar sel dalam kerangka berdiferensiasi menjadi neuron, banyak yang memperluas ke sumsum tulang belakang inang. Serabut saraf memperluas ke arah rostral (ke arah kepala) serta caudal (ke arah ekor), membentuk koneksi baru dengan sirkuit saraf inang yang sudah ada.

Sel saraf baru secara mulus terintegrasi ke dalam jaringan sumsum tulang belakang tikus seiring waktu, menghasilkan pemulihan fungsional yang signifikan. Menurut Ann Parr, profesor neurobedah di University of Minnesota:

“Kedokteran regeneratif telah membuka era baru dalam penelitian cedera sumsum tulang belakang. Laboratorium kami bersemangat menjelajahi potensi masa depan ‘mini sumsum tulang belakang’ kami untuk translasi klinis.”

Penelitian ini masih dalam fase awal, meskipun demikian, ia menawarkan potensi perawatan baru yang transformatif bagi mereka yang mengalami cedera sumsum tulang belakang.

Didanai oleh Spinal Cord Society, National Institutes of Health, dan Program Hibah Penelitian Cedera Sumsum Tulang Belakang serta Cedera Otak Traumatis Negara Bagian Minnesota, tim penelitian kini berupaya meningkatkan produksi teknologi mereka.

Selain itu, tim akan terus mengembangkan kombinasi teknologi mereka: sNPCs, perakitan organoid, dan strategi pencetakan 3D untuk aplikasi klinis di masa depan.

Berinvestasi dalam Perbaikan Sumsum Tulang Belakang Generasi Berikutnya

Salah satu perusahaan perangkat medis terbesar di dunia, Medtronic plc (MDT ), memiliki keahlian mendalam dalam implan, antarmuka saraf, dan perangkat yang disetujui FDA.

Mereka juga telah mengembangkan stimulator sumsum tulang belakang dan perangkat neuromodulasi untuk nyeri dan gangguan gerakan.

Perangkat stimulasi sumsum tulang belakang (SCS) yang dapat diisi ulang milik perusahaan meliputi Inceptiv dan Intellis serta Vanta yang tidak memerlukan pengisian ulang. Perangkat kecil, berukuran nyaman ini menawarkan penghilang nyeri yang dipersonalisasi dengan teknologi sensor loop tertutup dan penyesuaian terapi berdasarkan posisi tubuh, sambil memungkinkan pengguna melakukan pemindaian MRI seluruh tubuh.

Opsi perawatan non-opioid Medtronic dirancang untuk meredakan nyeri kronis dengan memberikan pulsa listrik kecil untuk mengganggu sinyal nyeri sebelum mencapai otak.

Medtronic plc (MDT )

Awal tahun ini, perusahaan merilis data tahunan dari uji klinisnya yang mengevaluasi stimulator sumsum tulang belakang loop tertutup Inceptiv (CL-SCS) pada pasien dengan nyeri kaki dan nyeri punggung bawah kronis (CLBP). Data tersebut menunjukkan manfaat dalam meningkatkan nyeri, fungsi fisik, dan kualitas hidup sambil mengurangi overstimulasi.

Fitur loop tertutup mendeteksi sinyal biologis unik setiap orang dan, berdasarkan itu, menyesuaikan stimulasi sesuai kebutuhan. 

Perusahaan perawatan kesehatan global yang berpusat di Irlandia ini bertujuan mengurangi nyeri, memulihkan kesehatan, dan memperpanjang hidup melalui teknologi dan terapi yang mengobati 70 kondisi kesehatan, termasuk pompa insulin, perangkat kardiak, alat bedah, robotik bedah, sistem pemantauan pasien, dan lainnya.

Segmen kardiologi adalah bisnis inti Medtronic, menyumbang 37% pendapatan, diikuti oleh neuroscience, medis bedah, dan lainnya, yang terutama melibatkan perawatan diabetes.

Dengan kapitalisasi pasar $118 miliar, saham MDT saat ini diperdagangkan pada $92,36, naik 15,24% YTD. EPS (TTM) sebesar 3,62 dan P/E (TTM) sebesar 25,44. Medtronic juga menawarkan dividen sebesar 3,09% kepada pemegang sahamnya.

Untuk keuangan, perusahaan medtech terbesar di dunia berdasarkan pendapatan melaporkan peningkatan pendapatan sebesar 8,4% menjadi $8,6 miliar untuk kuartal pertama tahun fiskal 2026, yang berakhir 25 Juli 2025.

GAAP diluted EPS-nya adalah $0,81, dan non-GAAP diluted EPS-nya adalah $1,26.

Sementara CEO Geoff Martha mencatat pertumbuhan pendapatan organik yang konsisten dan kekuatan dari berbagai kategori produk, CFO Thierry Piéton menyatakan keyakinan dalam mencapai hasil yang lebih baik ke depan saat Medtronic melaksanakan “efisiensi dalam manufaktur, rantai pasokan, dan biaya operasional untuk mendorong pertumbuhan laba, serta meningkatkan investasi pertumbuhan kami dalam R&D, penjualan, dan pemasaran.

Bulan ini, pembuat perangkat medis tersebut mengumumkan penambahan dua direktur baru ke dewan direksi untuk mencari peluang investasi dan meningkatkan pertumbuhan laba. Mereka juga membentuk Komite Pertumbuhan untuk membantu kinerja saham yang tertinggal.

Berita dan Perkembangan Saham Medtronic plc (MDT) Terbaru

Kesimpulan

Cedera sumsum tulang belakang adalah kondisi neurologis yang menghancurkan yang dapat menyebabkan gangguan fungsional seumur hidup yang signifikan. Ini juga menjadi beban besar bagi individu, keluarga, dan sistem kesehatan, menjadikannya penting untuk menemukan perawatan yang lebih baik dan mungkin memperbaiki bagian penting dari sistem saraf pusat kita.

Dengan organoid, bioengineering, dan pencetakan 3D, peneliti menangani salah satu masalah paling sulit dalam kedokteran. Meskipun terapi manusia masih bertahun-tahun lagi, setelah skala dan realisasi, teknologi ini dapat membantu jutaan orang pulih dan mendapatkan kembali kemandirian mereka.

Referensi:

1. Harland, B., Matter, L., Lopez, S., et al. Perawatan medan listrik harian meningkatkan hasil fungsional setelah cedera sumsum tulang belakang kontusi toraks pada tikus. Nature Communications, 16, 5372, dipublikasikan 26 Juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-60332-0
2. Kilgard, M.P., Epperson, J.D., Adehunoluwa, E.A., et al. Stimulasi saraf vagus loop tertutup membantu pemulihan dari cedera sumsum tulang belakang. Nature, 643, 1030–1036, dipublikasikan 21 Mei 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. Bioelektronik fleksibel melingkar untuk memungkinkan perekaman dan stimulasi 360 derajat pada sumsum tulang belakang. Science Advances, 10(19), eadl1230, dipublikasikan 8 Mei 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. Pencetakan 3D jaring mikro berbasis MXene yang konduktif listrik dalam kerangka biomimetik berbasis asam hialuronat mengarahkan dan meningkatkan stimulasi listrik untuk aplikasi perbaikan saraf. Advanced Science, eadvs.202503454, dipublikasikan 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. Kerangka 3D-cetak meningkatkan pembentukan organoid sumsum tulang belakang untuk penggunaan pada cedera sumsum tulang belakang. Advanced Healthcare Materials, eadhm.202404817, dipublikasikan 23 Juli 2025. https://doi.org/10.1002/adhm.202404817