Биоинженерный трансформирующий синапс (бтс-1)

Схема биоинженерного трансформирующего синапса как полезная модель относится к области «медицины», «медицинской техники» и «биотехнологии». БТС-1 (см. схему 0001) может быть реализован в медицине и ветеринарии при создании протезов конечностей нового поколения (кибернетические протезы), которые будут приводиться в действие не «механическим приводом» [7] и не сильно запаздывающими сигналами идущими от грубо вживленных в нервную ткань электродов [2], а трансформированными, посредством БТС-1, в унифицированный электрический сигнал, нервными импульсами, идущими из ЦНС (центральной нервной системы) пациента (см. схему 0002). Сущность работы биоинженерного трансформирующего синапса (БТС-1) заключается в преобразовании периодически возникающей (при резких изменениях рН в синаптической камере) ЭДС рН-чувствительных элементов электродной системы 4;8 (схема 0001), в унифицированный электрический сигнал, идущий к эффекторной системе (киберпротезу) 7.

Схема биоинженерного трансформирующего синапса БГС-1 как полезная модель относится к области «медицины», «медицинской техники» и «биотехнологии».

Наиболее близкими, по технической сущности, предлагаемой модели являются:

- механический привод «мышечно-толчкового протеза», действующим началом которого является передача остаточных поступательных движений мышц культи на рычаги, соединенные с передаточным винтом [7];

- гибридная электробиологическая схема (Hybrid electrical Device with biological components) [2].

Недостаток механического привода «мышечно-толчкового протеза» заключается в том, что подобная мышечная передача не достаточна для управления сложной кибернетической системой, такой как киберпротез, которая нуждается в усиленном унифицированном электрическом сигнале. Недостатками гибридной электробиологической схемы (Hybrid electrical Device with biological components) являются: сильное запаздывание сигнала гальванического характера и непосредственный, прямой контакт нерва с электродами, при котором наблюдается ответная реакция организма, проявляющаяся в виде формирования вокруг электродов соединительно-тканной капсулы, препятствующей детекции биоэлектрического импульса, окисления электродов, вплоть до их отторжения.

Целью предложенной полезной модели является проект модельной функциональной схемы БТС-1, трансформирующей нейрохимический импульс в унифицированный электрический сигнал.

БТС-1 как полезная модель может быть реализован в медицине и ветеринарии при создании протезов конечностей нового поколения (кибернетические протезы), которые будут приводиться в действие не «механическим приводом» и не сильно запаздывающими сигналами, идущими от грубо вживленных в нервную ткань электродов, а трансформированными посредством БТС-1 в унифицированный электрический сигнал нейрохимическими импульсами, идущими из центральной нервной системы пациента (см. упрощенную схему 0002). При этом БТС-1 будет лишен недостатков непосредственно контактирующих с нейронами сенсоров, т.к. в силиконовой шине непосредственного контакта нерва с электродами не будет (см. схему 0001).

Следует отметить, что схема БТС-1 может позволить ему быть выполненным с возможностью микрохирургической фиксации [1] на поверхности утраченной конечности (культи) с задействованием поврежденных дистальных участков магистральных нервов, посредством специальной неаллергенной силиконовой камеры - шины 13, являющейся неким «футляром» для БТС-1.

В соответствии с предлагаемой схемой принцип работы БТС-1 будет сводиться к тому, что биоэлектрический сигнал из двигательных зон центральной нервной системы доходит до восстановленного, посредством методов клеточной инженерии нерва, при этом нерв заключается в силиконовую шину, заполненную факторами роста нервных клеток (NGF) [8, 9], поверхность шины соприкасающаяся с БТС-1 будет микроперфорированой, для облегченной диффузии в него ацетилхолина и ацетилхолинэстеразы из нервного окончания 1 (схема 0001), заключенного в силиконовую шину 13 [1; 3]. При распространении возбуждения проницаемость нервного окончания резко увеличивается и из него в синаптическую камеру 2, выходит нейротрансмиттер ацетилхолин (АХ) 11 [10], направляющийся к композитной мембране с массивом чередующихся измерительных и вспомогательных электродов 4; 8. Мембрана инкрустирована, со стороны синаптической камеры, микрогранулами хитина 9. На этой мембране посредством хитинсвязывающего домена (ХСД) иммобилизован химерный ацетилхолинсвязывающий белок (АХСБ) 10, который призван связывать АХ и концентрировать его в приэлектродном слое, что необходимо для увеличения поверхности взаимодействия АХ и фермента (ацетилхолинэстеразы), а также для увеличения чувствительности электродной системы.

Следом за фазой выброса АХ наступает фаза выхода из нервного окончания фронта фермента, разрушающего ацетилхолин (ацетилхолинэстераза) 12 [4]. Фермент гидролизует АХ до уксусной кислоты (СН₃ СООН) [5], в результате чего, pH в синаптической камере резко изменяется с нейтральной до кислой, при этом важно, чтобы молекулы СН₃СООН образовывались в приэлектродном слое, т.к. в этом случае чувствительность электродов к изменению pH будет значительно выше (для этого и используются АХСБ-сп-ХСД либо ХСД-сп-АХСБ, сп - это глицин-сериновый спейсер, связывающий различные, по своей функциональности белковые домены).

После ферментативного гидролиза, СН₃СООН и инактивированный в кислых условиях фермент, реабсорбируются (всасываются) обратно нервным окончанием и уровень pH возвращается на исходную нейтральную отметку. Т.е. подобно электробиоэлектрической схеме (биосенсорному электроду) [2] БТС-1 призван преобразовывать нейрохимический импульс в усиленный электрический сигнал, однако, в отличие от биосенсорных электродов основой функционирования БТС-1 будет являться активное использование не остаточных мембранных потенциалов клеток, характеризующихся сильным запаздыванием, а «энергии» разрушения основного переносчика нервного импульса, так называемого нейротрансмиттера ацетилхолина (АХ), который в большом количестве циркулирует по нервным стволам, синапсам нервной системы и доходит до мембран даже ранее необратимо поврежденных периферических нервов (например, при утрате конечностей) разрушаясь там периодически ферментом ацетилхолинэстеразой, при этом БТС-1 - попытка перевести эту бесцельно расходующуюся химическую «энергию» гидролиза АХ (а точнее «энергию» периодического изменения pH, в процессе гидролиза АХ) в ЭДС чувствительных элементов электродной системы на мембранной подложке БТС-1, а затем, посредством схемы преобразования-усиления - в унифицированный электрический сигнал, валидный для управления сложными кибернетическими протезами [Схема 0002].

Таким образом, сущность схемы биоинженерного трансформирующего синапса (БТС-1) заключается в преобразовании периодически возникающей (при резких изменениях pH в синаптической камере) ЭДС чувствительных элементов электродной системы, в унифицированный электрический сигнал, идущий к эффекторной системе (киберпротезу).

Описание схем:

[Схема 0001] Функциональная схема искусственного синапса БТС-1, трансформирующего нейрохимический импульс в усиленный электрический сигнал.

1. Нервное окончание	8. Электрод 2 (вспомогательный)
2. Синаптическая камера	9. Гранулы хитина
3. Композитная мембрана	10. ХСД-сп-АХСБ (АХСБ-сп-ХСД)
4. Электрод 1 (измерительный)	11. Ацетилхолин (АХ)
5. Блок преобразования	12. Фронт фермента ацетилхолинэстеразы
6. Блок усиления
7. Эффектор (киберпротез)	13. Силиконовая камера (шина)

Схема 0002] Упрощенная схема киберпротеза нового поколения, управляемого нервными импульсами пациента, трансформированными посредством БТС-1.

14. Радиальный нерв

15. Медиальный нерв

16. Нерв, идущий к синапсу БТС-1

17. Локтевой нерв

18. Биоинженерный синапс БТС-1, трансформирующий нейрохимический импульс в усиленный электрический сигнал (см. схему 0001)

19. Штифтовое крепление протеза к костям предплечья

20. Проводка электрического сигнала к эффектору

21.Киберпротез (эффектор)

Список литературы

1. CASPERS С./ Versuche zur Rekonstruktion erektiler Nerven uber Silikonrohrchen in Kombination mit gezuchteten homologen Schwannschen Zellen bei der Ratte, - Munchen 2004.

2. United States Patent. Pub.: US2002/0050611A1, Pub.Date: May 2, 2002.

3. ZHANG W, OCHI M, TAKATA H, IKUTA Y. / Influence of distal nerve segment volume on nerve regeneration in silicone tubes. - Exp.Neurol., 1997

4. КАТЦ Б., / Нерв, мышца и синапс, - М.:, 1968.

5. КРАМАРЕНКО В.Ф., / Токсикологическая химия - М.: Химия, 1978.

6. ЛАПШЕНКОВ Г.И., ПОЛОЦКИЙ Л.М. / Автоматизация производственных процессов в химической промышленности - Москва «Химия», 1988

7. Российский патент 2141289, опублик. 1999.11.20.

8. РОДИОНОВ И.М., / Фактор роста нервов, гипертрофия и деструкция симпатической нервной системы в эксперименте. - Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова. - Соросовский образовательный журнал, 3, 1996.

9. Bishop К.М., Hofer Е.K. et al., Therapeutic potential of CERE-110 (AAV2-NGF): Targeted, stable, and sustained NGF delivery and trophic activity on rodent basal forebrain cholinergic neurons // Exp Neurol. 2008 June; 211(2): 574-584. doi: 10.1016/j.expneurol. 2008.03.004.

10. СОЛДАТEHКОВ А.Т., КОЛЯДИНА H.M., ШЕНДРИК И.В. / Основы органической химии лекарственных веществ. - Москва «МИР» 2003.

Схема биоинженерного трансформирующего синапса (БТС-1), выполненного из синаптической камеры, композитной мембраны, инкрустированной микрогранулами хитина с адсорбированными на нем молекулами химерного белка, имеющего хитинсвязывающий и ацетилхолинсвязывающий домены, измерительного и вспомогательного электродов, силиконовой камеры (шины), блока преобразования, блока усиления, отличающаяся преобразованием периодически возникающей ЭДС рН-чувствительных элементов электродной системы в унифицированный электрический сигнал, идущий к эффекторной системе.