На протяжении десятилетий в нейронауке существовало достаточно устойчивое представление: сенсорные нервы не способны формировать функциональные моторные синапсы со скелетной мышцей. Это предположение незаметно определяло границы возможностей регенеративной медицины. Исследователи из MIT — Хюнгын Сонг, Гильермо Эррера-Аркос и Хью Херр — опровергли этот взгляд, показав, что регенерирующие сенсорные нервы, направляемые молекулярными сигналами мышцы, способны формировать новые холинергические нервно-мышечные соединения de novo.
Это открытие легло в основу мионеврального актуатора (Myoneural Actuator, MNA) — полностью биологического имплантата, созданного из собственных «избыточных» тканей организма и предназначенного для обеспечения устойчивой к утомлению активации парализованных органов. Однако не менее значимо и то, что раскрывает сама биология. В процессе регенерации скелетная мышца, по-видимому, активно направляет сенсорные нервы, помогая им формировать синаптический аппарат, который ранее считался прерогативой моторных нейронов. Иными словами, ткань не просто реагирует на нервные сигналы — она участвует в формировании самой связи.
Таким образом формируется новый взгляд на имплантаты: не как на инородные устройства, внедряемые в организм, а как на живые интерфейсы, созданные из собственных тканей, управляемые с помощью манжетных электродов и потенциально способные функционировать десятилетиями, максимально приближаясь по характеристикам к естественным органам.
В этом интервью Гильермо Эррера-Аркос размышляет о том, что значит использовать биологию не как ограничение, а как среду для инженерного проектирования. Он обсуждает практические аспекты внедрения MNA в клиническую практику, вопросы, возникающие при управлении живыми тканями с помощью вычислительных систем, а также то, как данное направление меняет подходы к лечению органной недостаточности.
На стыке биологии, инженерии и вычислительных наук ваша лаборатория разрабатывает биогибридные подходы, такие как MNA, направленные на восстановление функций парализованных органов с использованием собственных тканей пациента. Что позволяет вам рассматривать биогибридные системы как переломный момент в медицине, и что в их потенциале вас особенно вдохновляет?
На протяжении столетий мы в основном создавали технологии из синтетических материалов, пытаясь адаптировать их к человеческому организму. Однако мы по-прежнему далеки от того, чтобы воспроизвести невероятную сложность и совершенство биологических систем, сформированных эволюцией за миллионы лет. Например, устройства вспомогательного кровообращения левого желудочка (LVAD) представляют собой выдающиеся инженерные достижения, однако требуют высокоинвазивной интеграции — механический насос соединяется с сердцем и питается от внешних батарей через кабель, выходящий из тела.
Биогибридный подход принципиально отличается: он начинается с самой биологии и работает в её рамках, а не вопреки ей. При разработке мионеврального актуатора мы задали простой вопрос: какой привод является наилучшим? Ответ оказался очевидным — скелетная мышца. Однако это породило два ключевых вызова: как устранить произвольный контроль и как обеспечить надёжную длительную работу системы. И вновь решение было найдено в биологии. Периферические нервы обладают высокой регенеративной способностью, поэтому мы использовали сенсорный нерв для отделения мышцы от сознательного контроля. Это также снизило утомляемость, поскольку сенсорные аксоны лучше приспособлены к длительной стимуляции. Используя адаптивные свойства нервно-мышечной ткани, нам удалось создать по сути «живой двигатель» внутри организма.
Биогибридный дизайн позволяет создавать системы с уникальными возможностями, которые было бы крайне сложно реализовать с использованием исключительно синтетических материалов. По мере открытия новых биологических механизмов будет расширяться и арсенал инструментов, доступных биоинженерам и хирургам для восстановления функций организма.
Открытие способности сенсорных нервов формировать холинергические синапсы со скелетной мышцей выглядит весьма неожиданным. Что вас больше всего удивило в этой регенеративной способности, и как это может изменить наше понимание пластичности периферической нервной системы?
Безусловно! Самым поразительным было то, что при электрической стимуляции мышцы через сенсорный нерв её сокращение выглядело практически идентичным естественному. Это заставило нас предположить наличие функционального нервно-мышечного соединения — и, к нашему удивлению, оно действительно оказалось сформированным.
В более широком контексте это указывает на значительно более высокий уровень пластичности периферической нервной системы, чем считалось ранее. Это свидетельствует о том, что процесс реиннервации может возвращать систему в состояние, напоминающее эмбриональное, при котором нейроны — вероятно, под влиянием сигналов от мышцы — способны формировать необходимый синаптический аппарат. Хотя механизм ещё требует дальнейшего изучения, это открывает перспективу направленного перевода клеток в регенеративное состояние и создания новых интерфейсов в периферической медицине.
Почему ваша команда выбрала прямую нейротизацию мышцы для сенсорной реиннервации и что этот подход говорит о способности организма переиспользовать нейронные пути?
Мы выбрали прямую нейротизацию мышцы, поскольку этот метод уже применялся в контексте сенсорной защиты («babysitting») и является более простым по сравнению с прямым сшиванием нервов. Интересно то, что он показал: в процессе регенерации именно ткань-мишень — в данном случае скелетная мышца — может направлять формирование связи. Она, по-видимому, передаёт сигналы, определяющие тип формируемого соединения. Таким образом, мышца выступает не пассивным реципиентом, а активным участником формирования нейронных связей.
MNA использует стандартные нервные трансплантаты и манжетные электроды. Какие основные регуляторные и хирургические барьеры вы видите для первого применения у человека?
Мы полагаем, что при наличии убедительных доказательств клинической эффективности регуляторный путь будет относительно прямым. Основная сложность заключается не в отдельных компонентах, а в интеграции всей системы — необходимо доказать её устойчивую и значимую пользу при длительном взаимодействии с органом.
Среди практических аспектов — обеспечение безопасного взаимодействия между актуатором и органом, включая электрические и механические свойства ткани, а также хирургическая реализуемость (наличие подходящих мышц и нервов). В большинстве случаев можно использовать функционально избыточные мышцы и близлежащие сенсорные нервы.
Для пациентов с травмой спинного мозга и нейрогенным мочевым пузырём: насколько близки MNA к клиническим испытаниям, и какой орган вы бы выбрали первым?
Мы рассматриваем мочевой пузырь как наиболее перспективную стартовую цель. Даже частичное восстановление его функции может существенно улучшить качество жизни пациентов. В дальнейшем перспективными направлениями являются также поддержка сердечной функции и другие органы.
В отличие от механических устройств, MNA использует собственные ткани пациента, что исключает риск отторжения. Как планируется забор тканей у пациентов без ампутаций?
Для этого используются «избыточные» мышцы, такие как широчайшая мышца спины, прямая мышца живота или большая грудная мышца. Нервный компонент обеспечивается за счёт близлежащих сенсорных нервов.
MNA позволяет компьютерное управление автономными функциями. Какие этические принципы должны регулировать контроль над такими «живыми двигателями»?
Эти системы должны рассматриваться как медицинские устройства и регулироваться существующими стандартами. Основной принцип — безопасность и надёжность. Контроль может быть распределён между устройством, пациентом и медицинским персоналом.
Вы называете это «новым жанром медицины, где ткань становится аппаратным обеспечением». Каким вы видите будущее биогибридных систем через 10 лет?
Мы считаем, что биогибридные системы могут стать стандартом лечения органной недостаточности. Их цель — создание имплантатов, полностью интегрированных с организмом, способных функционировать десятилетиями и эффективно восстанавливать утраченные функции.
