Nieuwe materialen kunnen leiden tot implanteerbare behandelingen voor epilepsie

Het vooruitzicht op genezing van een vorm van epilepsie zou een stap dichterbij kunnen komen na baanbrekend onderzoek naar materialen die kunnen helpen bij het veilig implanteren van nieuwe soorten sondes in de hersenen.

Bio-engineeringonderzoekers van de Universiteit van Glasgow hebben nieuwe oplosbare coatings onderzocht die flexibele implantaten veilig in de hersenen kunnen geleiden om te helpen bij het reguleren van temporaalkwabepilepsie.

De ontwikkeling van het materiaal, geschetst in een early-view paper in het tijdschrift Geavanceerd NanoBiomed-onderzoekmaakt deel uit van een samenwerking die tot doel heeft epilepsie aan te pakken door beschadigd hersenweefsel te behandelen en te regenereren.

Het Hybrid Enhanced Regenerative Medicine Systems-project (8 miljoen euro), HERMES, werd gelanceerd in 2019. Het brengt 12 partners uit zeven EU-landen samen om nieuwe manieren te vinden om hersenaandoeningen te genezen met behulp van transplantaties die biologische en kunstmatige componenten combineren.

Neurale sondes die in staat zijn tot diepe hersenstimulatie zijn gebruikt om mensen te helpen die leven met de ziekte van Parkinson en andere aandoeningen zoals een obsessief-compulsieve stoornis. Ze zijn een veelbelovende toekomstige behandeling voor temporaalkwabepilepsie, die resistent kan zijn tegen medicijnen.

Momenteel veroorzaken sondes voor diepe hersenstimulatie, die zijn gemaakt van silicium, vaak littekens rond hun implantatieplaats vanwege een mismatch tussen de stijfheid van de kunstmatige materialen en het zachte weefsel van de hersenen.

Een oplossing zou een nieuwe generatie flexibele sondes kunnen zijn, gemaakt van nieuwe buigbare materialen die beter aansluiten bij de zachtheid van hersenweefsel. Flexibele implantaten kunnen ook de mogelijkheden vergroten van waar de implantaten in de hersenen kunnen worden geplaatst, waardoor behandelingen voor meer aandoeningen mogelijk worden.

De toegenomen flexibiliteit van de materialen kan echter het risico vergroten dat de sondes buigen of breken wanneer ze in hersenweefsel worden ingebracht – een belangrijk probleem dat moet worden opgelost voordat het HERMES-team en anderen ze effectief als implantaten kunnen gebruiken.

In de paper schetsen het Glasgow-team en collega’s in Italië hoe ze het potentieel van vier verschillende biologische materialen hebben onderzocht als coatings voor toekomstige HERMES-implantaten. De materialen fungeren als tijdelijke verstijvers, waardoor flexibele sondes hun doel in de hersenen kunnen bereiken zonder te buigen, voordat ze oplossen zodra de operatie is voltooid.

Ze onderzochten de prestaties van sucrose, maltose, zijdefibroïne en alginaat als verstijvers voor een flexibele sonde zoals die zal worden gebruikt in het HERMES-project.

Terwijl drie van de materialen eerder in het laboratorium waren getest als verstijvers in eerder onderzoek, was het Glasgow-team de eerste die alginaat onderzocht, een natuurlijk voorkomend polysaccharide gewonnen uit algen, als verstijvingsmateriaal.

Ze bekleedden flexibele sondes die vergelijkbaar zijn met de sondes die in toekomstige HERMES-implantaten zullen worden gebruikt in monsters van de materialen. Ze testten hun prestaties als verstijvers door hun prestaties te onderzoeken terwijl ze in blokken agarosegel werden ingebracht – een materiaal met een vergelijkbare consistentie als echt hersenweefsel.

De met alginaat bedekte sondes presteerden goed, waardoor de kracht die nodig was om te knikken toenam van 0,31 millinewton voor een niet-gecoate sonde tot 28,97 millinewton. De zijdevezel presteerde echter het beste, waardoor de kracht die nodig was om de flexibele sonde te buigen, toenam tot 75,99 millinewton.

Ze testten ook de potentiële biocompatibiliteit van het materiaal door chemische tests uit te voeren en te meten hoe lang het duurde voordat ze oplosten in hersenachtige omstandigheden. Opnieuw presteerden de zijden fibroïne- en alginaatmaterialen goed, ze gingen langer mee dan de andere materialen voordat ze oplosten, wat chirurgen meer tijd zou kunnen geven om HERMES-implantatieoperaties met succes uit te voeren.

De zijdefibroïnematerialen werden verder getest in monsters van lammerenhersenen en in rattenhersenen om verdere gegevens te verzamelen over hun prestaties in mensachtige hersenen.

Maria Cerezo-Sanchez, van de James Watt School of Engineering, is de hoofdauteur van het artikel. Ze zei: “De tests die we hebben uitgevoerd, laten een aantal veelbelovende resultaten zien voor het maken van coatings voor toekomstige flexibele neurale sondes die hen veilig naar hun doelen in de hersenen kunnen leiden.

“Het is een opwindende stap voorwaarts en we blijven het potentieel van deze materialen onderzoeken voor gebruik in neurale implantatieprocedures.”

Professor Hadi Heidari, van de James Watt School of Engineering van de Universiteit van Glasgow, is de corresponderende auteur van het artikel. Hij zei: “Het werk dat we hier hebben gedaan, is een belangrijke pijler van de onderzoekslijnen die samenkomen om de geavanceerde neuroprothesen te creëren die HERMES wil bereiken.

“Sommige van onze onderzoekspartners gebruiken de verstevigers die we hebben ontwikkeld om verdere tests uit te voeren op de functionaliteit van de sondes. We kijken uit naar de resultaten van die experimenten naarmate we dichter bij het realiseren van het potentieel van HERMES komen.”