Исследователи обсуждают дизайн микроигл, напечатанных на 3D-принтере, для медицинских процедур

Что нужно для разработки новой иглы для медицинского применения? Когда игла должна быть намного тоньше и острее, чем любая игла, существующая на рынке, и предназначена для воздействия на ранее недоступные ткани, ответом являются годы сотрудничества сплоченной команды врачей и инженеров.

Создатели иглы из Колумбийского университета — ЛОР-хирург Анил Лалвани и инженер-механик Джеффри Кайсар — убеждены, что их сверхострое и ультратонкое устройство вскоре станет важным инструментом в лечении потери слуха и других заболеваний внутреннего уха. «Не будет преувеличением сказать, что наша микроигла может стать ключом к точному лечению внутреннего уха», — говорит Лалвани.

В интервью они рассказали, как они начали свое сотрудничество десять лет назад, что входит в разработку медицинского устройства и почему, по их мнению, их микроиглы произведут революцию в лечении потери слуха и других заболеваний внутреннего уха.

Зачем медицине нужна эта игла?

АЛ: Сейчас мы находимся на пороге генной терапии, которая сможет восстановить слух путем регенерации клеток в наших ушах, которые мы теряем после многих лет воздействия громких шумов. Но на самом деле у нас нет способа предоставлять эти методы лечения точным, предсказуемым и безопасным способом.

Это потому, что эти клетки находятся внутри почти недоступного контейнера во внутреннем ухе, называемого улиткой. Улитка — это спиральная кость, заполненная жидкостью, самая твердая кость в нашем организме.

В улитке есть крошечная мембрана шириной около 2 мм, которая теоретически может дать нам доступ. Но мембрана неизменно рвется, когда вы пытаетесь сделать отверстие стандартными хирургическими инструментами. Когда это произойдет, вы можете навсегда потерять слух и чувство равновесия.

Это одна из причин, по которой мы работаем над этой микроиглой: ввести терапевтический препарат в улитку, не разрывая мембрану.

Другой метод — использовать иглу для удаления жидкости из улитки для диагностики заболеваний внутреннего уха, таких как болезнь Меньера, которая вызывает приступы головокружения, тошноту и потерю слуха. Взяв пробу жидкости из внутреннего уха, мы сможем лучше понять болезнь Меньера, что также поможет нам найти более эффективные методы лечения в будущем.

Как вы начали сотрудничать?

АЛ: На самом деле у нас была встреча — милая или милая встреча, как бы это ни называлась, через двух наших постдоков, которые были друзьями. Они поняли, что мы можем создать действительно хорошее партнерство.

Д.К.: Я предполагал, что врачи могут получить доступ к любому месту человеческого тела. Но когда я впервые встретил Анила, он сказал мне, что нет, внутреннее ухо — это в значительной степени неизвестная сущность: из него ничего нельзя вводить или удалять. Вот что привлекло мое внимание.

Кажется, в ту субботу я пошел в книжный магазин и купил книгу по анатомии человека. Затем я начал искать литературу по биомедицинской инженерии, чтобы узнать, что известно о мембране. И я нашел очень мало. Сколько неизученных тканей осталось в организме человека для изучения? У этого экземпляра были очень интересные свойства, как геометрические, так и механические, поэтому мне это показалось фантастической возможностью.

Какие трудности возникли при создании иглы?

ДК: Итак, позвольте мне поговорить немного о теории того, почему что-то ломается. Это общая тема моего исследования.

С инженерной точки зрения мембрану можно представить как плотно натянутый брезент. Если вы проделаете в брезенте очень маленькую дырку, она не будет расти самопроизвольно. Но если отверстие больше критического размера, оно самопроизвольно вырастет и порвет брезент. Инженерная теория говорит нам, что если мы сможем проделать в мембране отверстие меньше этого критического размера, мембрана не порвется.

Нам просто нужно было сделать микроиглу меньше этого критического размера, примерно с ширину человеческого волоса в случае мембраны. Также необходимо, чтобы игла была сверхострой, чтобы минимизировать повреждение тканей в процессе перфорации, что способствует заживлению мембраны после процедуры.

Мы испробовали много разных способов изготовления иглы. Вскоре после того, как мы начали наше сотрудничество, стал доступен метод 3D-печати, и это стало новой технологией. Двухфотонная фотолитография обеспечивает так называемое воксельное разрешение около 200 нанометров, что составляет около 10% диаметра волоса, что очень и очень мало. Благодаря этому мы можем печатать чрезвычайно острые иглы, изготовленные из полимеров, например эпоксидной смолы, которую можно купить в хозяйственном магазине. Наши иглы во много раз острее, чем любые имеющиеся в продаже иглы.

Мы уделяем много времени и усилий тому, чтобы иглы были достаточно прочными. У нас были экземпляры, которые ломались, или каналы внутри не сформировались должным образом, или кончик затупился. Это неотъемлемая часть того, что мы делаем как инженеры: придумываем, как можно улучшить конструкцию.

Откуда вы знаете, что эти иглы сделают то, что вы от них хотите?

АЛ: Мы сделали десятки и десятки операций на животных, и никогда не видели каких-либо негативных последствий или потери слуха. Микроигла не делает отверстие больше размера иглы, и отверстие заживает в течение 48 часов или около того.

Мы также показали потенциальную ценность микроиглы, поскольку этого поля не существовало, пока мы не создали устройство.

В одном из наших последних документы [published in Academic Radiology]мы использовали микроиглу для введения контрастного вещества во внутренний год морских свинок, чтобы с помощью МРТ оценить размеры различных камер улитки. Это может помочь нам в диагностике болезни Меньера, при которой средняя камера становится значительно больше. В настоящее время визуализация улитки человека затруднена. Если мы сможем более точно диагностировать болезнь Меньера, это должно привести к улучшению клинических испытаний и, в конечном итоге, к улучшению лечения.

Во втором недавнем изучать [published in Otology & Neurotology]мы показываем, что можем доставлять миРНК (вид генной терапии) надежным и безопасным способом, не вызывая потери слуха. Мы хотели убедиться, что автомобиль не токсичен. [liposomes] не только сам по себе, но и то, что лечение распространяется по всей улитке.

Что дальше?

ДК: Мы ожидаем, что в случае генной терапии в улитку необходимо будет вводить относительно большие объемы терапевтического препарата, а поскольку улитка представляет собой закрытое пространство, нам нужно будет удалять жидкость во время инъекции. В противном случае давление во внутреннем ухе увеличится и может привести к повреждению слуха и равновесия. Вот почему мы разработали двухпросветную микроиглу, которая позволит нам вводить терапевтическое средство через один просвет и одновременно аспирировать жидкость через другой просвет, не меняя давления во внутреннем ухе.

АЛ: Около полутора лет назад мы создали компанию под названием Haystack Medical с целью коммерциализации микроигл. Мы очень рады следующим шагам по внедрению этой технологии для использования на людях. Прямо сейчас мы ведем переговоры с другими компаниями, создающими генную терапию, об использовании нашей технологии. С помощью микроиглы вы потенциально можете вводить терапию снова и снова одному и тому же человеку, не вызывая потери слуха. Вы могли увидеть, активна ли генная терапия или вам нужно повторно ввести материал. Это возможно с помощью микроиглы, поскольку она не оставляет шрамов и не приводит к смертельному повреждению портала внутреннего уха.

В целом, мы считаем, что микроиглы впервые откроют дверь для безопасной и надежной диагностики и лечения заболеваний, поражающих внутреннее ухо.

ДК: Мы очень благодарны нашей выдающейся команде студентов, постдоков, студентов-медиков и нашей коллеге-инженеру Элизабет Олсон, профессору биомедицинской инженерии, а также врачам-клиницистам и хирургам, которые были и остаются частью нашей команды.