Neuroprosthesis para sa gastrointestinal tract: ibinabalik ang peristalsis at i-on ang "satiety hormones"

Gastrointestinal (esophagus at tiyan) motility disorder—achalasia, gastroparesis, dysphagia, atbp—ay nakakaapekto sa higit sa 20% ng populasyon at nagdudulot ng malaking morbidity at gastos. Ang mga karaniwang diskarte—mga gamot, interbensyon sa pag-uugali, at operasyon—ay kadalasang may limitadong bisa at hindi nagpapanumbalik ng coordinated peristalsis.

• Bakit hindi nalulutas ng mga kasalukuyang device ang problema. Ang elektrikal na pagpapasigla ng gastrointestinal tract ay pinag-aralan mula pa noong 1960s, ngunit ang mga implant na inaprubahan ng clinically (hal., Enterra para sa gastroparesis, VBLOC vagal stimulators para sa labis na katabaan, InterStim sacral stimulation para sa fecal incontinence) ay pangunahing gumagana sa isang bukas na loop at kadalasang gumagawa ng hindi pantay na epekto sa pag-alis ng laman ng tiyan. Ang dahilan ay ang isa o higit pang mga kasalukuyang mapagkukunan na may pare-parehong mga parameter ay hindi nagpaparami ng spatiotemporal na kumplikado ng natural na peristalsis.
• Physiology na dapat "gayahin." Ang peristalsis ay isang closed loop: sensory signals (stretch, temperature, chemical stimuli) → reflex responses sa myenteric plexus at makinis na kalamnan. Bilang karagdagan sa transportasyon ng pagkain, ang motility ay nakakaapekto sa afferent gut-brain signal at satiety hormones (GLP-1, insulin, ghrelin), na bumubuo ng gana at isang pakiramdam ng pagkabusog. Sa dysmotility, ang mga loop na ito ay nagambala.
• Teknolohikal na agwat. Upang kopyahin ang "tama" na mga alon, kailangan ang multichannel stimulation nang direkta malapit sa myenteric plexus at muscular layer. Ngunit ang pag-access doon ay karaniwang nangangailangan ng invasive surgery; Ang mga advanced na endoscopic technique (hal. NOTA) ay kumplikado at hindi gaanong ginagamit. Kinakailangan ang mga minimally invasive na instrumento na nagbibigay-daan sa tumpak na paglalagay ng mga electrodes sa submucosa at gumagana sa isang saradong "sensing → stimulation" loop.
• Ano ang inaalok ng bagong trabaho. Ang mga may-akda ay naglalarawan ng isang endoscopically install, multichannel neuroprosthesis na may electrical at chemical stimulation, na may kakayahang mag-trigger ng coordinated peristaltic waves sa isang senyas tungkol sa pagpasa ng isang bolus, at sa gayon ay hindi lamang nagpapanumbalik ng motility, ngunit din modulate ang metabolic response (pinapalapit ito sa isang "fed" na estado). Sinasara nito ang mga pangunahing puwang: pag-access sa nais na layer, spatiotemporal na koordinasyon, at gumagana sa isang closed loop.

Sa madaling salita: mayroong isang malaking klinikal na angkop na lugar - laganap, hindi maayos na ginagamot ang mga dismotivations. Ang mga nakaraang "bukas" na stimulant ay hindi ginagaya ang natural na pisyolohiya. Samakatuwid, makatuwirang subukang turuan ang implant na "mag-isip tulad ng gastrointestinal tract": upang madama ang bolus at mag-trigger ng physiologic peristalsis kung saan mismo dumadaan ang natural na signal - sa myenteric plexus.

Isang team mula sa MIT, Harvard, at Brigham ang lumikha ng isang miniature esophageal/stomach implant na nakakaramdam ng bolus ng pagkain sa isang "closed loop" at nagti-trigger ng coordinated waves ng peristalsis. Sa mga baboy, hindi lamang naibalik ng aparato ang esophageal at gastric motility, ngunit nagdulot din ng mga pagbabago sa hormonal na katulad ng postprandial (fed) na estado. Ang implant ay inilalagay sa endoscopically, nang walang operasyon sa tiyan. Ang pag-aaral ay nai-publish sa journal Nature.

Ano ang naisip nila?

• Ang implant mismo. Isang manipis na "fibrous" na neuroprosthesis na may diameter na ≈1.25 mm na may pitong electrodes bawat 1 cm at isang microchannel para sa lokal na paghahatid ng mga sangkap (electro- at chemostimulation). Ang kakayahang umangkop at mga sukat nito ay nagpapahintulot na maipasok ito sa pamamagitan ng isang karaniwang channel ng instrumento ng isang endoscope (2.8–3.2 mm).
• Pag-install. Isang endoscopic na instrumento ang binuo: isang karayom na may reverse pull ng isang nitinol "hook", hydrodissection, at ang pangunahing trick - paghahanap para sa submucosa sa pamamagitan ng tissue impedance para sa tumpak na pagkakalagay sa itaas lamang ng muscular layer, malapit sa myenteric plexus.
• Saradong loop. Binabasa ng system ang bolus signal (EMG/intraluminal sensors) at pumipili ng pattern ng stimulation para mag-udyok ng mga sequential contraction na katulad ng natural na peristalsis. Posibleng pagsamahin ang "excitatory" at "inhibitory" na stimuli, pati na rin ang lokal na pagrerelaks ng mga sphincter na may mga microdoses ng mga gamot.

Ano ang ipinakita sa mga hayop

• Esophagus: Ang implant ay gumawa ng "swallow waves" nang walang aktwal na paglunok, kabilang ang kinokontrol na relaxation ng lower esophageal sphincter (sa pamamagitan ng micro-delivery ng glucagon), at mga programmable forward/retrograde waves—esensyal ay isang peristaltic na "joystick."
• Tiyan. Pagkatapos ng 20 minuto ng pagpapasigla, ang dalas ng peristalsis ay tumaas ng humigit-kumulang dalawang beses kumpara sa kontrol (n≈4, p<0.05).
• Metabolic "ilusyon ng pagkabusog". Sa mga kondisyon ng pag-aayuno, ang 30 minutong pagpapasigla (esophagus o tiyan) ay humantong sa mga pagbabago sa hormonal: isang pagtaas sa GLP-1 at insulin, isang pagbaba sa ghrelin (appetite hormone); na may gastric stimulation, isang pagtaas sa glucagon ay nabanggit din. Ang profile sa kabuuan ay kahawig ng postprandial state.

Mga detalye ng kaligtasan at engineering

Ang mga maikling in vitro biocompatibility test (mga materyal na extract) ay nagpakita ng walang toxicity; sa vivo 7 araw pagkatapos ng pagtatanim - normal na pagpapalawak ng pader at walang paglipat ng device/kabuuang pinsala sa tissue. (Ang karagdagang tibay at pagiging maaasahan ay nangangailangan ng pangmatagalang pagsubok.)

Bakit kailangan ito?

• Dysmotility at refractory na kondisyon. Achalasia, gastroparesis, dysphagia, postoperative disorder - kung saan ang mga klasikong gamot/operasyon ay kadalasang nagbibigay ng hindi kumpletong epekto. Ang lokal na multichannel stimulation ay mas malapit sa tunay na pisyolohiya kaysa sa umiiral na "single-channel" na open-loop implants.
• Mga metabolic disorder. Sa pamamagitan ng pagkontrol sa gut-brain afferent pathways, ang aparato ay maaaring potensyal na baguhin ang gana at metabolismo, na kawili-wili para sa labis na katabaan/diabetes (hypothesis sa ngayon, walang ebidensya sa mga tao).

Mga limitasyon at kung ano ang susunod

Ito ay preclinical na gawain sa mga baboy, sa acute-subacute mode. Nasa unahan ang mga pangmatagalang pag-aaral tungkol sa katatagan ng contact, supply ng enerhiya, panganib ng fibrosis, tumpak na mga protocol sa pagpapasigla, at pagkatapos ay mga maagang klinikal na pagsubok sa mga pasyenteng may malubhang anyo ng dysmotivity. Ngunit naipakita na na ang peristalsis ay maaaring "i-on" sa utos, at ang mga hormonal na tugon ay maaaring ilipat patungo sa pagkabusog - lahat sa pamamagitan ng endoscopic access.