Gerichte stimulatie is bijzonder interessant voor nervus vagus-therapieën

 i²CS verhoogt precisie van stimulatie perifere zenuwstelsel

Peter Peumans, CTO Health bij imec

Bio-elektronische geneeskunde, waarbij elektrische signalen worden ingezet om het zenuwstelsel aan te sturen, is een veelbelovende therapievorm voor de behandeling van chronische aandoeningen. Cruciale uitdaging is om de technologie preciezer, betrouwbaarder en energiezuiniger te maken. Dankzij recente innovaties komt gerichte zenuwstimulatie met minimale bijwerkingen nu echt dichterbij.

Het perifere zenuwstelsel (PZS), dat bestaat uit zenuwen die zich vertakken vanuit de hersenen en het ruggenmerg naar organen, ledematen en weefsels, is interessant voor bio-elektronische toepassingen omdat het signalen van de hersenen naar de organen vervoert en vice versa.

Aandoeningen in het PZS ontstaan wanneer perifere zenuwen beschadigd zijn en daardoor de berichten tussen de hersenen en organen of weefsels niet correct kunnen overbrengen. Dat leidt tot problemen met spierbeweging, tast, temperatuur- en pijnervaring.

Traditionele orale medicatie heeft vaak (neven)effecten over het hele lichaam en moet regelmatig worden aangepast om werkzaam te blijven. Bovendien worden medicijnen vaak ontwikkeld voor een heel specifieke aandoening terwijl PZS-ziekten een waaier van ziektebeelden omvat.

Bio-elektronische geneeskunde zou hier een mouw aan kunnen passen: doordat ze specifiek op de aangetaste zenuw werkt blijven mogelijke bijwerkingen beperkt en lokaal. De therapie kan ook  flexibel aangepast kan worden aan de noden van de patiënt. Het is een veelbelovende aanpak voor het behandelen van chronische aandoeningen zoals reumatoïde artritis, chronische pijn en epilepsie.  

Technologische uitdagingen 

Onze zenuwen strekken zich uit van het ruggenmerg naar alle uithoeken van ons lichaam. Hoe dieper je gaat, hoe gespecialiseerder ze worden. Door heel precies het eindpunt van zo’n zenuw te stimuleren, kan je een specifiek orgaan beïnvloeden.

Maar het stimuleren van diepe zenuwen brengt wel uitdagingen met zich mee. Het implantaat dat voor de zenuwstimulatie zorgt, moet diep in het lichaam geplaatst worden. Dit maakt chirurgie, verpakking, communicatie en energieoverdracht complexer. 

Imec gebruikt nanotechnologie om de technologie achter de implantaten te verbeteren voor verschillende PZS-toepassingen zodat ze kleiner, slimmer en energiezuiniger worden. Er staan enkele technologische uitdagingen centraal bij deze inspanning, waarvan precisie de belangrijkste is: hoe stimuleert men doelgericht enkel die zenuwvezels die een gewenst effect hebben, zonder andere vezels te activeren? Selectiviteit is immers cruciaal om bijwerkingen te beperken en behandelingen effectiever te maken.

Daarnaast zoekt imec naar manieren om de implantaten langdurig en veilig in het lichaam te laten functioneren. Dat vraagt om innovatieve omhulsels die bestand zijn tegen lichaamsvocht, maar tegelijk zacht en biocompatibel zijn. Voorts moet ook het energieverbruik zo laag mogelijk blijven, want vaak is er geen ruimte voor een batterij. Tot slot ontwikkelt imec systemen die signalen in de zenuwen kunnen registreren en daar direct op reageren.

Gerichte stimulatie van de nervus vagus

Gerichte stimulatie is in het bijzonder interessant voor nervus vagus-therapieën. Met stimulatie van deze ‘zenuwsnelweg’ kan een hele reeks lichaamsfuncties beïnvloed worden vanuit één centraal punt. Bovendien is de nervus vagus oppervlakkig gelegen waardoor deze redelijk eenvoudig te bereiken is. Nervus vagusstimulatie is al goedgekeurd als therapie voor epilepsie en depressie in gevallen waar medicatie niet voldoende is om de symptomen te bedwingen. 

Toch brengt stimulatie van deze zenuw ook uitdagingen met zich mee. De nervus vagus is geen enkelvoudige vezel, maar een bundel van verschillende zenuwvezels die zich vertakken, langs de zenuwen kronkelen en opnieuw samenkomen. Die vezels sturen elk een ander orgaan of lichaamsfunctie aan, zoals ademhaling, spraak of hartslag.

Het is dan ook moeilijk om alleen de vezels te activeren die relevant zijn voor de behandeling. Daardoor kunnen ongewenste neveneffecten ontstaan. Zo klagen epilepsiepatiënten die behandeld worden met zenuwstimulatie, soms over stemveranderingen, hartkloppingen of veranderingen in ademhaling omdat de elektrische pulsen die de epilepsieaanval stilleggen, ook de zenuwen verbonden met het strottenhoofd, hart en longen beïnvloeden. 

Om die selectiviteit te verbeteren, ontwikkelden onderzoekers van imec en het Feinstein Institute for Medical Research een radicaal nieuwe techniek: i²CS, ofwel intermitterende interferentiële stroomstimulatie. Deze techniek gebruikt twee kleine elektrische signalen met verschillende frequenties die in het lichaam elkaar kruisen. Op het punt waar de signalen samenkomen, ontstaat heel nauwkeurige stimulatie. Uit de eerste resultaten blijkt bijvoorbeeld dat i²CS specifiek de zenuwen naar de longen kan stimuleren, zonder de zenuwen richting het strottenhoofd mee te activeren.

Doordat de stimulatie niet constant, maar met tussenpozen gebeurt, is de techniek ook energiezuiniger. Bovendien maakt dit het mogelijk om het systeem tegelijk signalen te laten meten én te stimuleren. Dat is belangrijk voor de ontwikkeling van slimme implantaten die zichzelf automatisch kunnen bijsturen wanneer dat nodig is – bijvoorbeeld alleen ingrijpen als een epileptische aanval op komst is.

 

Geavanceerde omhulsels voor implantaten 

Een andere uitdaging is om een beschermende cocon te creëren voor het implantaat dat maanden-, mogelijk zelfs jarenlang, in het lichaam aanwezig zal zijn. Enerzijds moet je een schild creëren dat het implantaat beschermt tegen de complexe omgeving van het lichaam, waar zelfs de kleinste druppel vloeistof de werking kan beïnvloeden. Anderzijds mag het omhulsel geen verstoring veroorzaken bij het omliggende weefsel door bijvoorbeeld niet-lichaamscompatibele stoffen te lekken. 

Traditioneel vertrouwen de meeste elektronische implantaten op robuuste omhulsels uit titanium. Maar titanium heeft beperkingen: het is rigide van structuur, en het is niet geschikt voor implantaten met micrometer-afmetingen. CMST, een met imec geassocieerd labo aan de Universiteit Gent, heeft een proces ontwikkeld om een PZS-implantaat te omhullen met behulp van dunne-film fabricagetechnieken.

Het resultaat is een zachte, flexibele verpakking die het kleinste implantaat kan afschermen, en tegelijkertijd een beter aanpassingsvermogen heeft aan het menselijke lichaam dan titanium.  

Stimulatie op basis van uitgelezen informatie: een gesloten-lussysteem 

Een van de grootste uitdagingen voor toekomstige technologie is om de stimulatie aan te passen aan gemeten parameters, en dus een gesloten-lussysteem te creëren. Daardoor zou je bijvoorbeeld bij epilepsie alleen kunnen stimuleren als er een aanval gemeten wordt. Dat zou effectiever werken en onnodige stimulatie vermijden.

Om zulke gesloten-lussystemen te maken, moeten nog enkele aspecten van de technologie geoptimaliseerd worden. Je wil zo dicht mogelijk bij de zenuw blijven om juist te kunnen stimuleren en je wil het implantaat zo klein mogelijk (in de orde van millimeters) houden voor een optimaal draagcomfort.

Dat vraagt niet alleen miniaturisatie van de technologie, maar ook een andere aanpak in energiebeleid. Aangezien er vaak geen ruimte is voor een batterij moet het systeem zo weinig mogelijk energie verbruiken om draadloze stroomvoorziening mogelijk te maken. Dat is niet eenvoudig voor systemen die verschillende functies combineren zoals signaalregistratie en stimulatie.  

Een van de manieren om het energieverbruik te laten dalen is om alleen veranderingen te registreren in plaats van continue signaalregistratie. Een team in imec Nederland heeft dit idee onlangs vertaald naar een chip die alleen actief is wanneer een verandering in zenuwsignaal plaatsvindt.  

Een blik op de toekomst 

Door aan al deze uitdagingen te werken, wil imec bijdragen aan de bio-elektronische implantaattechnologie van de toekomst, die kleiner en energiezuiniger is, goed verdragen wordt door het lichaam en heel precies kan stimuleren. In het bijzonder is de introductie van i²CS een belangrijke sprong vooruit op het vlak van precisie en doeltreffendheid.