Onderzoekers van de Technische Universiteit van Denemarken, de Universiteit van Kopenhagen, University College London en partnerinstellingen hebben een nieuw type hersenimplantaat ontwikkeld dat neurale registratie, lichtstimulatie en gerichte medicijnafgifte combineert in één ultradun implantaat. De technologie staat bekend als de microfluïdische Axialtrode (mAxialtrode).
De mAxialtrode is een flexibele hersenelektrode, zo dun als een naald, die is ontworpen om meerdere functionele interfaces over de lengte ervan te verdelen. Hierdoor kunnen onderzoekers tegelijkertijd neurale signalen registreren, hersenweefsel met licht stimuleren en medicatie toedienen op verschillende dieptes in de hersenen. Hoewel de technologie momenteel gericht is op fundamenteel neurowetenschappelijk onderzoek, zien de ontwikkelaars op lange termijn potentieel voor klinische toepassingen, waaronder de behandeling van neurologische aandoeningen zoals epilepsie.
Nauwkeuriger hersenonderzoek
Volgens postdoctoraal onderzoeker Kunyang Sui, die samen met universitair hoofddocent Christos Markos leiding gaf aan de ontwikkeling, ligt de belangrijkste innovatie in het combineren van verschillende mogelijkheden in één enkel, zacht implantaat. “De meeste huidige hersenimplantaten zijn gemaakt van harde materialen zoals silicium, die het hersenweefsel kunnen irriteren en ontstekingen kunnen veroorzaken”, aldus Sui. “Ons implantaat is gemaakt van zachte, plasticachtige optische vezels en heeft een speciaal gebogen punt die schade tijdens de implantatie vermindert.”
Traditionele optische vezels die in de neurowetenschap worden gebruikt, leveren doorgaans alleen licht of registreren signalen aan hun distale punt, waardoor metingen en stimulatie beperkt blijven tot één enkele hersenlaag. Dit is een groot nadeel, aangezien veel hersenfuncties, zoals die welke betrokken zijn bij epilepsie, geheugen of besluitvorming, afhankelijk zijn van interacties tussen meerdere lagen en regio's.
Microfluïdica en optica in één vezel
De mAxialtrode overwint deze beperking door zijn structuur. Het apparaat wordt vervaardigd door een polymeerstaaf te verhitten en tot een dunne vezel te trekken en bevat een centrale lichtgeleidende kern die omgeven is door acht microscopische kanalen. Deze kanalen kunnen vloeistoffen transporteren voor de toediening van geneesmiddelen en bevatten ultradunne metalen draden voor elektrische metingen.
De uiteindelijke vezel is minder dan een halve millimeter dik en flexibel genoeg om mee te bewegen met de hersenen, waardoor langdurige weefselstress wordt verminderd. De technologie wordt ook beschreven in het tijdschrift Advanced Science.
Gevalideerd in proefdier onderzoek
De technologie is zowel in het laboratorium als in vivo bij muizen getest. In deze experimenten maakte het implantaat gelijktijdige optische stimulatie met blauw en rood licht mogelijk, elektrische registratie vanuit oppervlakkige en diepe hersengebieden zoals de cortex en de hippocampus, en gerichte injectie van stoffen op meerdere dieptes tot drie millimeter uit elkaar. Alle functies werden uitgevoerd met behulp van een enkele lichtgewicht vezel, zonder duidelijk ongemak voor de dieren.
De in vivo validatie werd uitgevoerd in samenwerking met experts op het gebied van neurale circuits en epilepsie-modellen, waaronder onderzoekers van de Universiteit van Kopenhagen en University College London.
Op weg naar toekomstig klinisch gebruik
Het onderzoeksteam werkt nu aan het patenteren van de onderliggende technologie en het verkennen van mogelijkheden voor klinische tests. Hoewel er nog uitgebreide ontwikkeling en goedkeuring door de regelgevende instanties nodig is, wijst de mAxialtrode op een toekomst waarin hersenimplantaten zachter en nauwkeuriger zijn en in staat zijn om sensoren en therapie te combineren in één minimaal invasief apparaat.
Vorig jaar ontwikkelden onderzoekers van ETH Zürich een magnetisch gestuurde microrobot die met uiterste precisie medicijnen in het menselijk lichaam kan toedienen. De kleine robot is ontworpen voor minimaal invasieve therapieën en kan door bloedvaten navigeren en medicijnen precies op de plaats van de ziekte afgeven, zoals een bloedstolsel in de hersenen of een tumor. De microrobot is gemaakt van een oplosbare gelcapsule met daarin ijzeroxide-nanodeeltjes en kan op afstand worden bestuurd met behulp van elektromagnetische velden. Extra tantaalnanodeeltjes maken hem zichtbaar op röntgenbeelden, waardoor hij in realtime kan worden gevolgd.
Zodra de robot zijn doel bereikt, verwarmt een hoogfrequent magnetisch veld de nanodeeltjes, waardoor de capsule oplost en de medicatie lokaal wordt afgegeven. Het onderzoek, gepubliceerd in Science, toont een belangrijke stap in de richting van precisiegeneeskunde, waardoor de bijwerkingen van systemische medicijnafgifte mogelijk worden verminderd, met name bij aandoeningen zoals een beroerte, waar een gerichte behandeling van cruciaal belang is.
