Implantátumok forradalma – Teljesen megváltozhat az emberi test helyreállítása

Amikor Luigi Galvani olasz tudósnak a 18. században sikerült elektromos töltéssel békalábakat mozgatnia, útjára indult az a történet, amelynek köszönhetően ma ördöginek tűnő eszközöket tudunk alkalmazni sérült vagy gyengélkedő emberi testek helyreállítására. Nézzük meg, hova jutott és hiva fejlődhet tovább az implantátumok története!

Az utóbbi néhány év eredménye, hogy a bevezetőben említett ördögi eszközök egyre emberibbek. Hajlékonyabbak, puhábbak, vékonyabbak, jobban illeszkednek oda, ahová beültetik őket, és nem utolsósorban olyan elveszett funkciókat is képesek helyreállítani, amelyeknél pár évtizede még álmunkban sem reméltük, hogy visszaszerezhetők. Talpra állítanak a kerekesszékből, visszaadják a hallást, talán hamarosan még az elveszett látást is.

Visszakaphatjuk – de mennyi időre?

Vegyük például egy sekély vízbe fejest ugró fiatal esetét, aki a baleset miatt vállától lefelé megbénul, mert elszakad a gerincében az idegköteg, amely az agyból az izmok felé viszi az elektromos impulzusokat. Ő a baleset napjától egész életében segítségre szorul, még abban is, hogy megvakarja a homlokát.

Alig egy évtizede van rá lehetőség, hogy egy olyan eszközt – úgynevezett agyi implantátumot – ültessenek a testébe, amely az agykéregben keletkező elektromos impulzusokat (például egy olyan utasítást, hogy „mozduljon meg a kezem”) a sérült gerincvelő megkerülésével a karizmaihoz vezeti.

Egy ilyen szerkezet beültetése után, ha a sérült kitartóan együttműködik, van esélye arra, hogy bizonyos mértékig újra használhassa kezét-karját.

Mindennek alapja az elektromosság és a biológia szoros összefüggése. Ma már értjük, hogy az emberi test finom elektromos impulzusokon alapul, amelyek mindent irányítanak a szívveréstől a sebgyógyulásig.

Egyre több bizonyíték van arra, hogy a fejlődés irányítása mellett az elektromosság a sebgyógyulástól a rákig mindenre hatással van.

A modern implantátumok ezt használják ki. Szívritmus-szabályozóból (pacemaker) világszerte körülbelül hárommillió darab dolgozik az emberek mellkasában. A mély agyi stimulátor a Parkinson-kór tüneteit enyhíti azáltal, hogy elektromos impulzusokat küld az agyba. A belső fülbe épített eszközök serkenthetik a fül idegeit a hallás helyreállítása érdekében. Folyamatban vannak olyan retinaimplantátumok fejlesztése is, amelyek valamennyire visszaadhatják az elveszett látást.

Korunk implantátumai egyre jobban működnek, de nem tartanak örökké. A szívritmus-szabályozó körülbelül 15 évig működik, míg egy agyi implantátum 5-7 évig. A mély agyi stimulátorokat általában három-öt évente cserélni kell. Hogy miért? A merev, mesterséges eszköz egyszerűen nem illeszkedik jól a puha és rugalmas emberi testhez. A fejlesztők célja tehát olyan implantátumok létrehozása lett, amelyek kitartanak egy életen át.

Láthatatlan puhaság

Testünk szövetei puhák, és a merev elektronika úgy vághatja át őket, mint egy penge – mondja Jia Liu, a Harvard Egyetem doktora. A beültetett eszközök apró sérüléseket okoznak a környező szöveteken, ami miatt végül az immunrendszer fellép velük szemben, gyulladás következik, és végül hegszövet veszi körül az implantátumot, ami rontja a jelet.

Olyan eszközökre van szükség, amelyek harmonikusabban illeszkednek a testbe. Anyagai hajlanak, sőt együtt növekednek az idegeinkkel és izmainkkal. Egyes kutatócsoportok puha, szövethez hasonló anyagokból igyekeztek elkészíteni az apró berendezéseket. Mások még tovább mennek, és élő sejteket ötvöznek áramkörökkel.

Liu laboratóriumában olyan elektródszálat hoztak létre, amely annyira puha, hogy szinte láthatatlan a vízben, mégis elég erős ahhoz, hogy túlélje a beültetést és a gyártás során használt kemény vegyszereket. Ami a legfontosabb, 100-szor annyi elektródot tud hordozni szálanként, mint a korábbi eszközök, növelve a továbbítható adatok mennyiségét. Minimális immunválaszt vált ki, és ez lehetővé teheti, hogy sokkal tovább maradjon hatékony.

Növekedésre képes biohibrid implantátumok

A puha ez esetben tehát jobb, mint a kemény, de nem az egyetlen út a sikeres implantátumokhoz. Rylie Green, a londoni Imperial College-ban egy ideig Liuéhoz hasonló ötleteken dolgozott, aztán látott egy sci-fi filmet, amelyben organikus űrállomások növesztettek karokat, hogy dokkoló űrhajókhoz kapcsolódjanak. Ez elgondolkodtatta. „Miért ne nőhetnének az eszközeink a szövetbe?” – tette fel magának a kérdést. „Ahelyett, hogy csak ott ülnének, és várnák a test reakcióját, miért ne lehetnének aktívabbak?”

Ő és csapata egy apró szondát fejlesztett ki, amelynek középpontjában egy kis, kör alakú platinaelektród áll, beborítva zselészerű hidrogéllel, amely nagyon hasonlít a természetes emberi szövetekhez: puha, rugalmas, képes folyadékokat felszívni és tárolni. Green csapata élő neuronokat ültetett bele, amelyek növekedve karokat hoznak létre, hogy kapcsolatba lépjenek a gazda agyszövetével, miközben az elektród által irányíthatók maradnak. Ez az eszköz képes lesz olvasni az agyi aktivitást vagy mély stimulációt létrehozni olyan állapotok kezelésére, mint az epilepszia vagy a Parkinson-kór.

Az őssejtek is szerephez jutnak

A Cambridge-i Egyetemen George Malliaras két területet ötvöz: a bioelektronikát és az őssejtterápiát. Stratégiája hasonló trójai falóhoz: a bioelektronikát álcázásként élő sejtekbe burkolják. Így az implantátum nemcsak az immunrendszert kerülheti el, hanem össze is olvadhat a meglévő szövetekkel.

Az ősejtek számos különböző típusú idegsejtté fejlődhetnek – de hogy hogyan érnek meg és kapcsolódnak más sejtekhez, azt nagymértékben befolyásolják a test belső elektromos jelei, különösen a korai fejlődés során. Felnőttekben ezek az irányító jelek többnyire hiányoznak, Malliaras biohibrid megközelítésével viszont a felnőttkorban is feléleszthetők lehetnek. Ezzel felgyorsíthatóvá és irányíthatóvá tehető a regenerációs folyamat. Bizonyíték van arra, hogy az őssejtek elektromos stimulálása segíthet irányítani, hogyan fejlődnek, vándorolnak és működnek a testben. Hosszú távon Malliaras olyan verziókat képzel el, amelyek kétirányú jeleket tudnak továbbítani – mozgási parancsokat küldve ki, és érzékeléseket hozva vissza, akár egy valódi végtaghoz, akár egy protézishez. Azt mondja, hogy az eszköz körülbelül három-öt évre van attól, hogy az állatkísérletek után megkezdődhessenek az emberek bevonásával végzett vizsgálatok.

Az agy újjáépítése

Az amerikai Science Corporation startup jelentős erőforrásokat szentel egy biohibrid implantátum kifejlesztésére, amely reményeik szerint egy nap segíthet helyreállítani a kapcsolódásokat a legösszetettebb szervben: az agyban. A hagyományos agyi implantátumok és egy látás helyreállítására tervezett retinaimplantátum mellett a vállalat egy új agyi implantátumot fejleszt, amelyről állják, hogy túlszárnyal majd minden szilíciumchipet az adatkezelési képességek terén.

Az eszköz egy méhsejtszerű vázszerkezettel kezdődik, amely az agy felszínére simul. Több mint 100 000 apró rekeszében egy-egy genetikailag módosított neuron található, amely fényre reagál. A méhsejt minden egyes résében egy apró fényforrás aktiválja a neuront, és egy elektród rögzíti az agyból visszaérkező jeleket. Beültetés után a neuronok vékony szálakat növesztenek, amelyek kapcsolódnak az agyban lévő neuronokhoz.

Ez forradalmi változást hozhat. Gondoljunk csak egy olyan betegre, aki szélütést szenvedett, és elvesztette a beszédképességét. Ez károsíthat egy agyterületet, de egy beültetett, mintázott fénnyel betanított neuronhálózat átveheti annak funkcióját.

Jobban működjön, mint az igazi

Az eddig ismertetett fejlesztések alapja mind az elektronika volt. A Pennsylvaniai Egyetemen Kacy Cullen munkacsoportja még merészebb koncepción dolgozik. Olyan eszközt fejleszt, amelyet „élő elektródnak” nevez – teljes egészében sejtekből és szöveti vázakból épített eszköz, amelynek célja, hogy beépüljön az agyba, és úgy működjön, mint a természetes idegi hálózat.

Ezek a mesterségesen létrehozott, idegsejtekből álló mikroszövetek képesek lehetnek az agy számítási kapacitásának bővítésére. Összeköthetik az agy különböző régióit, vagy összekapcsolhatják az agyat külső eszközökkel, például protézisekkel, mindezt anélkül, hogy kiváltanák az immunválaszt, amely a hagyományos implantátumokat kudarcra ítéli. „Ezek a mesterségesen létrehozott mikroszövetek potenciálisan képesek lehetnek az agy számítási kapacitásának bővítésére, gyakorlatilag új információfeldolgozási rétegeket adva az idegrendszerhez” – állítja Kacy Cullen. Elméletben ez nemcsak a sérült hálózatok helyreállítását jelenti – egy nap akár a memória vagy a tanulás fejlesztését is lehetővé teheti.

Egyelőre azonban inkább az a cél, hogy sikerüljön olyan eszközt létrehozni, ami lehetővé teszi, hogy valaki úgy működjön, ahogy egy betegség vagy sérülés előtt tudott. Ha sikerül lehetővé tenné, hogy a sérült ember ne szoruljon ápolókra, az hatalmas előny lesz az egyének és az egész társadalomnak egyaránt.