O dispositivo flexível macio se dobra e se estica com o corpo, sem a necessidade de hardware volumoso e rígido. Crédito: Northwestern University
Novo dispositivo tem o potencial de fornecer uma alternativa aos opióides e outras drogas altamente viciantes.
Um implante pequeno, macio e flexível que alivia a dor sob demanda e sem o uso de medicamentos foi desenvolvido por uma equipe de pesquisadores liderada por[{” attribute=””>Northwestern University. The first-of-its-kind device could provide a much-needed alternative to opioids and other highly addictive medications.
By softly wrapping around nerves, the biocompatible, water-soluble device is able to deliver precise, targeted cooling, which numbs nerves and blocks pain signals to the brain. With an external pump, the user can remotely activate the device and then increase or decrease its intensity. After the device is no longer needed, it naturally absorbs into the body. This bypasses the need for surgical extraction.
According to the researchers, the device has the potential to be most valuable for patients who undergo routine surgeries or even amputations that commonly require post-operative medications. Surgeons could implant the device during the procedure to help manage the patient’s post-operative pain.
The paper describes the device’s design and demonstrates its effectiveness in an animal model. It was published in the July 1 issue of the journal Science.
Illustration of the implantable device inside an arm. The red oval indicates pain. The device softly wraps around the peripheral nerve to silence signals to the brain. Credit: Northwestern University
“Although opioids are extremely effective, they also are extremely addictive,” said Northwestern’s John A. Rogers, who led the development of the device. “As engineers, we are motivated by the idea of treating pain without drugs — in ways that can be turned on and off instantly, with user control over the intensity of relief. The technology reported here exploits mechanisms that have some similarities to those that cause your fingers to feel numb when cold. Our implant allows that effect to be produced in a programmable way, directly and locally to targeted nerves, even those deep within surrounding soft tissues.”
A bioelectronics pioneer, John A. Rogers is the Louis Simpson and Kimberly Querrey Professor of Materials Science and Engineering, Biomedical Engineering and Neurological Surgery in the McCormick School of Engineering and Northwestern University Feinberg School of Medicine. He is also the founding director of the Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Jonathan Reeder, the paper’s first author, is a former Ph.D. candidate in Rogers’ laboratory.
How it works
Although the new device might sound like science fiction, it actually leverages a simple, common concept that everyone knows: evaporation. Similar to how evaporating sweat cools the body, the device contains a liquid coolant that is induced to evaporate at the specific location of a sensory nerve.
“As you cool down a nerve, the signals that travel through the nerve become slower and slower — eventually stopping completely,” said study co-author Dr. Matthew MacEwan of Washington University School of Medicine in St. Louis. “We are specifically targeting peripheral nerves, which connect your brain and your spinal cord to the rest of your body. These are the nerves that communicate sensory stimuli, including pain. By delivering a cooling effect to just one or two targeted nerves, we can effectively modulate pain signals in one specific region of the body.”
Observe o dispositivo dissolver-se lentamente ao longo de 50 dias. O dispositivo se decompõe em componentes biocompatíveis, que são naturalmente absorvidos pelo corpo. Crédito: Northwestern University
Para induzir o efeito de resfriamento, o dispositivo contém minúsculos canais microfluídicos. Um canal contém o líquido refrigerante (perfluoropentano), que já está clinicamente aprovado como agente de contraste ultra-som e para inaladores pressurizados. Um segundo canal contém nitrogênio seco, um gás inerte. Quando o líquido e o gás fluem para uma câmara compartilhada, ocorre uma reação que faz com que o líquido evapore prontamente. Simultaneamente, um pequeno sensor integrado monitora a temperatura do nervo para garantir que não esteja ficando muito frio, o que poderia causar danos aos tecidos.
“O resfriamento excessivo pode danificar o nervo e os tecidos frágeis ao seu redor”, disse Rogers. “A duração e a temperatura do resfriamento devem, portanto, ser controladas com precisão. Ao monitorar a temperatura no nervo, as taxas de fluxo podem ser ajustadas automaticamente para definir um ponto que bloqueie a dor de maneira reversível e segura. O trabalho em andamento busca definir o conjunto completo de limites de tempo e temperatura abaixo dos quais o processo permanece totalmente reversível.”
Poder de precisão
Embora outras terapias de resfriamento e bloqueadores de nervos tenham sido testadas experimentalmente, todas têm limitações significativas que o novo dispositivo supera. Os cientistas já exploraram as crioterapias, por exemplo, que são injetadas com uma agulha. Em vez de visar nervos específicos, essas abordagens imprecisas resfriam grandes áreas de tecido, potencialmente levando a efeitos indesejados, como inflamação e danos nos tecidos.
Em seu ponto mais largo, o minúsculo dispositivo da Northwestern tem apenas 5 milímetros (0,2 polegadas) de largura. Uma extremidade é enrolada em um manguito que envolve suavemente um único nervo, ignorando a necessidade de suturas. Ao direcionar precisamente apenas o nervo afetado, o dispositivo poupa as regiões vizinhas de resfriamento desnecessário, o que pode levar a efeitos colaterais.
“Você não quer resfriar inadvertidamente outros nervos ou tecidos que não estejam relacionados ao nervo que transmite os estímulos dolorosos”, disse MacEwan. “Queremos bloquear os sinais de dor, não os nervos que controlam a função motora e permitem que você use sua mão, por exemplo”.
Pesquisadores anteriores também exploraram bloqueadores de nervos que usam estimulação elétrica para silenciar estímulos dolorosos. Estes também têm limitações.
“Você não pode desligar um nervo com estimulação elétrica sem ativá-lo primeiro”, disse MacEwan. “Isso pode causar dor adicional ou contrações musculares e não é o ideal, do ponto de vista do paciente”.
Ato de desaparecimento
Esta nova tecnologia é o terceiro exemplo de dispositivos eletrônicos bioabsorvíveis do laboratório Rogers, que introduziu o conceito de eletrônica transitória em 2012, publicado em Ciência. Em 2018, Rogers, MacEwan e colegas demonstraram o primeiro dispositivo eletrônico bioabsorvível do mundo – um implante biodegradável que acelera a regeneração do nervo, publicado em Medicina da Natureza. Então, em 2021, Rogers e colegas introduziram um marcapasso transitório, Publicados dentro Biotecnologia da Natureza.
Todos os componentes dos dispositivos são biocompatíveis e absorvem naturalmente os biofluidos do corpo ao longo de dias ou semanas, sem necessidade de extração cirúrgica. Os dispositivos bioabsorvíveis são completamente inofensivos – semelhantes aos pontos absorvíveis.
Com a espessura de uma folha de papel, o dispositivo de resfriamento de nervos macio e elástico é ideal para tratar nervos altamente sensíveis.
“Se você pensar em tecidos moles, nervos frágeis e um corpo em constante movimento, qualquer dispositivo de interface deve ter a capacidade de flexionar, dobrar, torcer e esticar com facilidade e naturalidade”, disse Rogers. “Além disso, você gostaria que o dispositivo simplesmente desaparecesse depois que não fosse mais necessário, para evitar procedimentos delicados e arriscados para remoção cirúrgica.”
Referência: “Refrigeradores macios e bioabsorvíveis para bloqueio de condução reversível de nervos periféricos” por Jonathan T. Reeder, Zhaoqian Xie, Quansan Yang, Min-Ho Seo, Ying Yan, Yujun Deng, Katherine R. Jinkins, Siddharth R. Krishnan, Claire Liu , Shannon McKay, Emily Patnaude, Alexandra Johnson, Zichen Zhao, Moon Joo Kim, Yameng Xu, Ivy Huang, Raudel Avila, Christopher Felicelli, Emily Ray, Xu Guo, Wilson Z. Ray, Yonggang Huang, Matthew R. MacEwan and John A . Rogers, 30 de junho de 2022, Ciência.
DOI: 10.1126/science.abl8532
O estudo foi apoiado pelo Phil and Penny Knight Campus for Accelerating Scientific Impact, o Querrey Simpson Institute for Bioelectronics e a National Science Foundation (número do prêmio CMM1635443).
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