Neiroprotezēšana kuņģa-zarnu traktam: atjauno peristaltiku un ieslēdz "sāta hormonus"

Kuņģa-zarnu trakta (barības vada un kuņģa) kustīguma traucējumi — ahalāzija, gastroparēze, disfāgija u. c. — skar vairāk nekā 20 % iedzīvotāju un izraisa ievērojamu saslimstību un izmaksas. Standarta pieejas — medikamenti, uzvedības intervences un ķirurģiska iejaukšanās — bieži vien ir ierobežoti efektīvas un neatjauno koordinētu peristaltiku.

• Kāpēc esošās ierīces neatrisina problēmu. Kuņģa-zarnu trakta elektriskā stimulācija tiek pētīta kopš 20. gs. sešdesmitajiem gadiem, taču klīniski apstiprināti implanti (piemēram, Enterra gastroparēzes ārstēšanai, VBLOC vagusa stimulatori aptaukošanās ārstēšanai, InterStim sakrālā stimulācija fekāliju nesaturēšanas ārstēšanai) galvenokārt darbojas atvērtā cilpā un bieži vien rada nekonsekventu ietekmi uz kuņģa iztukšošanos. Iemesls ir tāds, ka viens vai vairāki strāvas avoti ar nemainīgiem parametriem neatveido dabiskās peristaltikas telpiski-laicīgo sarežģītību.
• Fizioloģija, kas ir jā"atdarina". Peristaltika ir slēgta cilpa: maņu signāli (stiepšanās, temperatūra, ķīmiskie stimuli) → refleksīvas reakcijas mienteriskajā pinumā un gludajos muskuļos. Papildus barības vielu transportēšanai, kustīgums ietekmē aferentus zarnu-smadzeņu signālus un sāta hormonus (GLP-1, insulīnu, grelīnu), veidojot apetīti un sāta sajūtu. Dismotilitātes gadījumā šīs cilpas ir traucētas.
• Tehnoloģiskā plaisa. Lai reproducētu “pareizos” viļņus, nepieciešama daudzkanālu stimulācija tieši mienteriskā pinuma un muskuļu slāņa tuvumā. Taču piekļuvei tur parasti nepieciešama invazīva ķirurģiska iejaukšanās; progresīvas endoskopiskās metodes (piemēram, NOTES) ir sarežģītas un netiek plaši izmantotas. Ir nepieciešami minimāli invazīvi instrumenti, kas ļauj precīzi novietot elektrodus submukozā un darbojas slēgtā “sensoru → stimulācijas” cilpā.
• Ko piedāvā jaunais darbs. Autori apraksta endoskopiski uzstādītu daudzkanālu neiroprotēzi ar elektrisko un ķīmisko stimulāciju, kas spēj izraisīt koordinētus peristaltiskus viļņus, saņemot signālu par bolusa pāreju, tādējādi ne tikai atjaunojot kustīgumu, bet arī modulējot vielmaiņas reakciju (tuvinot to "paēdušam" stāvoklim). Tas novērš galvenās nepilnības: piekļuvi vēlamajam slānim, telplaika koordināciju un darbu slēgtā cilpā.

Īsāk sakot: pastāv liela klīniskā niša - plaši izplatītas, slikti ārstētas demotivācijas. Iepriekšējie "atvērtie" stimulanti neimitē dabisko fizioloģiju. Tāpēc ir loģiski mēģināt iemācīt implantam "domāt kā kuņģa-zarnu traktam": sajust bolusu un izraisīt fizioloģisko peristaltiku tieši tur, kur iet dabiskais signāls - pie mienteriskā pinuma.

Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta (MIT), Hārvardas un Brigama Universitātes komanda izveidoja miniatūru barības vada/kuņģa implantu, kas uztver barības bolusu "slēgtā cilpā" un izraisa koordinētus peristaltikas viļņus. Cūkām ierīce ne tikai atjaunoja barības vada un kuņģa kustīgumu, bet arī izraisīja hormonālas izmaiņas, kas līdzīgas stāvoklim pēc ēšanas (paēdušā vecumā). Implants tiek ievietots endoskopiski, bez vēdera dobuma operācijas. Pētījums tika publicēts žurnālā Nature.

Ko viņi izdomāja?

• Pats implants. Tieva “šķiedraina” neiroprotēze ar diametru ≈1,25 mm, septiņiem elektrodiem ik pēc 1 cm un mikrokanālu vielu lokālai piegādei (elektro- un ķīmijstimulācijai). Tās elastība un izmēri ļauj to ievietot caur endoskopa standarta instrumentu kanālu (2,8–3,2 mm).
• Uzstādīšana. Ir izstrādāts endoskopisks instruments: adata ar nitinola "āķa" apgriezto vilkšanas mehānismu, hidrodisekcija un galvenais triks - submukozes meklēšana pēc audu pretestības, lai precīzi novietotu to tieši virs muskuļu slāņa, netālu no mienteriskā pinuma.
• Slēgta cilpa. Sistēma nolasa bolusa signālu (EMG/intraluminālie sensori) un izvēlas stimulācijas modeli, lai izraisītu secīgas kontrakcijas, kas līdzīgas dabiskajai peristaltikai. Ir iespējams apvienot “ierosinošos” un “kavējošos” stimulus, kā arī lokāli atslābināt sfinkterus ar zāļu mikrodevām.

Kas tika parādīts dzīvniekiem

• Barības vads: Implants radīja "rīšanas viļņus" bez faktiskas rīšanas, tostarp kontrolētu apakšējā barības vada sfinktera relaksāciju (izmantojot glikagona mikropiegādi) un programmējamus uz priekšu/atpakaļejošus viļņus — būtībā peristaltisku "kursorsviru".
• Kuņģis. Pēc 20 minūšu stimulācijas peristaltikas biežums palielinājās aptuveni divas reizes, salīdzinot ar kontroles grupu (n≈4, p<0,05).
• Metaboliska "sāta ilūzija". Tukšā dūšā 30 minūšu stimulācija (barības vada vai kuņģa) izraisīja hormonālas izmaiņas: GLP-1 un insulīna līmeņa paaugstināšanos, grelīna (apetītes hormona) līmeņa pazemināšanos; kuņģa stimulācijas laikā tika novērots arī glikagona līmeņa paaugstināšanās. Profils kopumā atgādināja stāvokli pēc ēšanas.

Drošības un inženiertehniskās detaļas

Īsi in vitro bioloģiskās saderības testi (materiālu ekstrakti) neuzrādīja toksicitāti; in vivo 7 dienas pēc implantācijas — normāla sienas stiepjamība un nav ierīces migrācijas/rupju audu bojājumu. (Papildu izturībai un uzticamībai nepieciešama ilgtermiņa testēšana.)

Kāpēc tas ir nepieciešams?

• Dismotilitāte un refraktāri stāvokļi. Ahalāzija, gastroparēze, disfāgija, pēcoperācijas traucējumi – kur klasiskās zāles/operācijas bieži vien dod nepilnīgu efektu. Lokālā daudzkanālu stimulācija ir tuvāka reālajai fizioloģijai nekā esošie "vienkanāla" atvērtās cilpas implanti.
• Metabolisma traucējumi. Kontrolējot zarnu-smadzeņu aferentos ceļus, ierīce varētu potenciāli modulēt apetīti un vielmaiņu, kas ir interesanti aptaukošanās/diabēta gadījumā (pagaidām hipotēze, nav pierādījumu par cilvēkiem).

Ierobežojumi un kas tālāk

Šis ir preklīnisks darbs ar cūkām akūtā-subakūtā režīmā. Priekšā ir ilgtermiņa pētījumi par kontakta stabilitāti, enerģijas piegādi, fibrozes risku, precīziem stimulācijas protokoliem un pēc tam agrīni klīniskie pētījumi ar pacientiem ar smagām dismotivitātes formām. Taču jau ir pierādīts, ka peristaltiku var "ieslēgt" pēc komandas, un hormonālās reakcijas var novirzīt uz sāta sajūtu - tas viss, izmantojot endoskopisku piekļuvi.