Mikroroboty naprawią uszkodzony rdzeń kręgowy? Ryby i myszy już pływają i chodzą

Wyobraź sobie, że paraliż po urazie rdzenia kręgowego przestaje być wyrokiem na całe życie. Naukowcy z ETH Zurich i Uniwersytetu w Zurychu właśnie pokazali, jak to zrobić: mikroskopijne roboty zbudowane z żywych komórek i magnetycznych nanocząstek, sterowane polem magnetycznym, potrafią odbudować uszkodzone nerwy. U ryb i myszy zadziałało – czy to przełom, na który czekali pacjenci?

NPCboty – hybrydy z krwi i krzemu

→ Czytaj też: Roje mikrorobotów z glonów wnikają w guza dziesięć razy głębiej niż leki podawane klasycznie

Głównym elementem wynalazku są NPCboty, hybrydowe mikroroboty o średnicy sześciu mikrometrów – mniej więcej tyle, co czerwona krwinka. Każdy składa się z dwóch elementów: komórki progenitorowej układu nerwowego (NPC) oraz specjalnie zaprojektowanych nanocząstek magnetoelektrycznych z rdzeniem z ferrytu kobaltu otoczonym powłoką z tytanianu baru (CFO–BTO).

Komórki NPC są pochodną indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych – przeprogramowanych w laboratorium do stanu podobnego do komórek macierzystych. Mają potencjał, by przekształcić się w różne typy komórek nerwowych. Nanocząstki pełnią zaś podwójną rolę: reagują na zewnętrzne pole magnetyczne, co pozwala precyzyjnie nawigować nimi w tkankach, a jednocześnie zamieniają impulsy magnetyczne na elektryczne, stymulując komórkę do różnicowania się w neurony.

Połączenia obu elementów dokonuje się w układzie mikroprzepływowym – chipie wielkości jednego centymetra kwadratowego. Komórki zostają uwięzione w pułapce, po czym wpompowuje się do niej nanocząstki. Po zaledwie trzydziestu minutach NPCboty są gotowe do użycia. Aby wyprodukować ich odpowiednią ilość – setki tysięcy do testów komórkowych, kilka milionów do eksperymentów na zwierzętach – układy uruchamia się równolegle.

Ryby pływają, myszy chodzą

→ Czytaj też: Tabletka antykoncepcyjna na paraliż? Badanie z Cambridge obala medyczny dogmat

Pierwsze praktyczne eksperymenty przeprowadzono na danio pręgowanych z uszkodzonym rdzeniem kręgowym. To popularny model badawczy, ceniony za naturalną zdolność regeneracji i przejrzyste ciało larw. NPCboty wstrzyknięto bezpośrednio w miejsce urazu, a następnie przyłożono zewnętrzne zmienne pole magnetyczne. Działało ono przez dwie godziny dziennie przez kilka dni, pobudzając nanocząstki do generowania impulsów elektrycznych wewnątrz komórek nerwowych. Już po trzech dniach rybki odzyskały niemal normalne zdolności pływackie i behawioralne.

Kluczowe okazało się połączenie wszystkich elementów – same komórki NPC bez nanocząstek nie dawały istotnej poprawy, podobnie jak same nanocząstki bez komórek. Wyniki na myszach, których rdzeń kręgowy był całkowicie przecięty, również zaskoczyły badaczy. Po 28 dniach doszło do ponownego połączenia komórek nerwowych w miejscu urazu, a zwierzęta stopniowo odzyskiwały sprawność ruchową – poprawił się chód, długość kroku, koordynacja i zachowania eksploracyjne. To szczególnie ważne, bo – inaczej niż u danio – mysie nerwy rdzeniowe normalnie nie regenerują się wcale.

Mechanizm: wapń w roli głównej

Badacze ustalili też mechanizm molekularny stojący za tym zjawiskiem. Impulsy elektryczne generowane przez nanocząstki aktywują kanały wapniowe w błonie komórkowej. Napływ jonów wapnia uruchamia wewnątrzkomórkową kaskadę sygnałową, która powoduje różnicowanie się komórki progenitorowej w neuron lub astrocyt. Gdy badacze zablokowali kanały wapniowe, różnicowanie niemal całkowicie zanikało, co potwierdziło kluczową rolę tego szlaku.

Artykuł opisujący nową technologię został opublikowany na łamach Nature Materials. Zanim NPCboty trafią do szpitala, przed naukowcami jeszcze długa droga. Trzeba ustalić optymalne parametry pól magnetycznych dla tkanek ludzkich, ocenić długoterminowe oddziaływanie nanocząstek na organizm oraz przebadać bezpieczeństwo metody na większych modelach zwierzęcych.

Autorzy zaznaczają jednak, że skalowalny system produkcji na chipach i nieinwazyjny sposób stymulacji czynią tę platformę wyjątkowo obiecującą nie tylko w neurologii, ale potencjalnie także w kardiologii, onkologii i leczeniu ran. Jeśli kolejne testy potwierdzą skuteczność, paraliż może przestać być wyrokiem bez odwołania.