Нейроинженерия и нейротехнологии

Нейротехнологии для лечения нервных болезней и психических расстройств у человека. Иллюстрацией создания этого направления нейротехнологий может быть интеграция разных научных школ нейроинженерии для целей практической медицины вообще и неврологии в частности. В 2011 г. Федеральная политехническая школа Лозанны (EPFL) и Высшая школа медицины Гарвардского университета Harvard Medical School (HMS) обнародовали совместную программу исследований (EPFL et Harvard Medical School dеvoilent le programme collectif de recherches en neuroingеnierie). В марте 2011 г. исследователи EPFL и Гарвардской медицинской школы собрались в Лозанне для обсуждения совместных научных проектов. Федеральная политехническая школа Лозанны и Высшая школа медицины Гарвардского университета Harvard Medical School объединили компетенции в сферах нейронаук и инженерного дела для разработок новейших методов лечения неврологических патологий, таких как параплегия и глухота.

Уже в ноябре 2011 г. участники этого проекта сообщили об эпохальном соглашении между Федеральной политехнической школой Лозанны (EPFL) и медицинским институтом Гарвардского университета – Harvard Medical School (HMS). Благодаря поддержке Фонда Бертарелли (de la Fondation Bertarelli), вложившего в проект 3,6 млн долл., 2 сильнейших университета мира смогли объединить свои усилия в изучении и разработке методов лечения сложных неврологических патологий. Швейцарская и американская высшие школы обнародовали программу совместных исследований: 6 научных проектов, которым суждено было стать премьерой в нейроинженерии и, вполне вероятно, совершить революцию в лечении неврологических заболеваний. Основываясь на последних достижениях генотерапии, оптической томографии и систем взаимодействия между человеком и компьютером, исследователи EPFL и Гарвардской медицинской школы решили попробовать найти новые клинические методы лечения патологий спинного мозга и слухового аппарата.

Пять из 6 научных проектов, включенных в программу Бертарелли по нейроинженерии, были направлены на разработку новых методов диагностики и терапии широкой гаммы заболеваний слуха, в первую очередь глухоты, вызванной генетическими отклонениями или внешними факторами. Шестой проект основывался на новейших достижениях EPFL в области стимуляции спинного мозга, и благодаря сотрудничеству с Гарвардом он должен быть выйти на следующий этап: конечная цель – разработать электронные механизмы, позволяющие восстанавливать нарушенные нервные соединения в спинном мозге.

Почему столь сложную задачу для объединения научных усилий поставили перед собой 2 самые передовые университетские медицинские школы мира? Главная проблема диагностики патологий слухового аппарата заключается в том, что врач не может рассмотреть вблизи ткани и клетки внутреннего уха. В последние годы введение микроэндоскопов немного облегчило задачу, но необходимость использования флуоресцентных маркеров по-прежнему затрудняет диагностику для человека. В то же время инженеры и физики EPFL уже давно разработали метод оптической визуализации без применения красящих веществ. Проф. Федеральной политехнической школы Лозанны, специалист по оптофлюидным системам Деметри Псалтис активно сотрудничает с гарвардскими врачами-отиатрами в целях разработки совершенно новой методики визуализации для внутреннего уха. Исследователи попытались оптимизировать инновационные методы диагностики, позволяющие насквозь просматривать ткани благодаря световым волнам. Конечно, тех великих целей, которые перед собой ставил проект, исследователи не добились, но сама попытка решения столь сложной задачи достойна уважения. Локальные цели, достигнутые в проекте, имеют большое практическое значение для современной медицины.

Другой проект этих межуниверситетских взаимодействий был создан для осуществления генотерапии для борьбы с врожденной глухотой. Генотерапия – относительно молодая область исследований, объединяющая принципы генной инженерии, биотехнологий и медицины для внесения изменений в генетический аппарат человека в целях лечения сложнейших заболеваний. Сегодня 1 ребенок из тысячи рождается с нарушениями слуха, часто вызванными генетическими патологиями. Метод генотерапии основывается на введении генетически модифицированных вирусов, транспортирующих «корректирующие» гены к клеткам с мутированными генами, вызвавшими заболевание. Первые неудачи подобных опытов охладили пыл специалистов, но недавние исследования возродили надежду, что генетические заболевания слухового аппарата можно излечивать генотерапией.

Основная проблема: на данный момент ученым известно не так много вирусов, способных проникнуть в чувствительные клетки слухового аппарата. Проф. Джеффри Холт из Гарвардского университета, специалист по физиологии слуховых клеток с мировым именем и врач детского госпиталя в Бостоне, совместно с экспертом Федеральной политехнической школы Лозанны в области генотерапии исследовал новые вирусы, способные транспортировать гены к пораженным тканям слухового аппарата. Опыты на лабораторных мышах привели исследователей к разработке метода, применимого для лечения врожденной глухоты у человека.

Еще один проект EPFL и медицинского института Гарвардского университета Harvard Medical School (HMS) был направлен на решение проблемы лечения глухоты путем управления регенерацией клеток и нейронов. Потеря слуха у пожилых людей в большинстве случаев вызвана отмиранием чувствительных слуховых клеток и нейронов во внутреннем ухе. Последнее может быть вызвано шумом, инфекциями и даже некоторыми лекарствами и сопровождается ощущением постоянного гудения в ушах. Слуховые клетки, к сожалению, не восстанавливаются так, как способны делать это клетки кожи, или крови, или, например, обонятельной выстилки носа. Первый этап на пути к лечению такого типа глухоты – найти способы регенерации слуховых клеток и нейронов внутреннего уха. Недавно исследователям Гарвардской медицинской школы удалось изолировать клетки внутреннего уха в процессе развития и генетически увеличить скорость их размножения.

Отныне задача заключается в том, чтобы трансформировать эти клетки в слуховые и нервные. Эксперт с мировым именем по развитию внутреннего уха, проф. Гарварда Лиза Гудрих работает вместе со специалистом EPFL по биоинженерии Матиасом Лутольфом над исследованием молекулярных изменений в размножающихся клетках внутреннего уха. С помощью компьютерной программы, позволяющей одновременно тестировать тысячи молекулярных комбинаций, ученые пытаются идентифицировать факторы, способные превратить размножающиеся клетки в слуховые и нервные. Если им удастся найти ключ к загадке природы, лечение приобретенной глухоты медикаментами может стать реальностью.

Другой проект EPFL и медицинского института Гарвардского университета Harvard Medical School (HMS) был направлен на решение проблемы разработки и создания лекарства против глухоты. Впрочем, с того момента, как ученые научатся регенерировать слуховые клетки в лаборатории, им предстоит немалый путь, прежде чем новую терапию можно будет применить для лечения пациентов. Сначала необходимо разработать новые лекарства для внутреннего уха и найти правильные химические компоненты, действующие целенаправленно и постепенно, в течение нескольких месяцев, не принося вреда чувствительным органам слуха. Поиском такого рода препаратов занимается отдельная группа исследователей, возглавляемая специалистом по регенерации слуховых клеток Гарвардской медицинской школы и биоинженером EPFL. Совместно они определяют, какие вещества и технологии применимы к внутреннему уху и способствуют восстановлению клеток. Зафиксированные гидрогелями или другими революционными материалами, данные вещества после введения в ухо действовали бы на оставшиеся там клетки, стимулируя их размножение и превращение в слуховые.

Еще один проект EPFL и медицинского института Гарвардского университета Harvard Medical School (HMS) был направлен на создание нового поколения слуховых имплантатов. Современные имплантаты слухового ядра, улитки, основаны на механизме, позволяющем обойти повреждения внутреннего уха передачей звукового сигнала прямо к слуховому нерву. Такой нейропротез в последние десятилетия пользовался невероятным успехом: более 200 тыс. экземпляров было продано во всем мире. Однако значительная часть заболеваний слухового аппарата не поддается действию нейропротеза, поэтому растет потребность в протезе, действующем не на слуховой нерв, а непосредственно на ствол головного мозга.

Первые попытки разработать подобный протез дали противоречивые результаты по двум причинам: либо электрическая стимуляция не позволяла достигнуть необходимого уровня точности, либо имплантированные электроды оказались недостаточно гибкими для прилегания к нервной ткани. Специалисты HMS совместно с коллегами из EPFL изучают возможности оптической стимуляции улитки и ствола головного мозга, позволяющей достичь большей точности в передаче сигнала. Параллельно исследователи Федеральной политехнической школы Лозанны разработали комбинированный электронно-оптический метод стимуляции, облегчающий манипуляцию имплантатами при введении в ухо.