この「バイオニック鼻」を使えば、新型コロナウイルス感染症の生存者は再び「バラの香りを嗅ぐ」機会を得ることができる

2012 年のある日曜日、スコット ムーアヘッドさんは 6 歳の息子にスケートボードを教えているときに地面に落ちました。 「頭蓋骨の後ろが矢面に立たされました」と彼は語った。彼は集中治療室で3​​日間過ごし、医師らは複数の頭蓋骨骨折、大量の内出血、脳の前頭葉の損傷の治療を受けた。

数週間、数か月後、ムーアヘッドさんの聴力は回復し、頭痛は消え、イライラや混乱も消えましたが、嗅覚は回復しませんでした。

この事故により、ムーアヘッドさんの鼻から脳の基部にある嗅球までの神経が永久に切断されました。彼は嗅覚に加えて、基本的な味覚も失っていた。 「味は主に匂いから生まれます」と彼は説明する。 「私の舌は、甘い、塩辛い、辛い、苦いということしか認識できません。目隠しをして目の前に10種類のアイスクリームを置いても、違いは分かりません。どれも少し甘い味がしますが、チョコレートが

ムーアヘッドは食べ物の味に加えて、愛する人の独特の匂いも恋しくて、ひどく苦しんでいました。ある時、彼はガス漏れに気付かず、妻が帰宅して警察に通報するまで危険に気付かなかった。

ムーアヘッドさんの痛みは特殊なものではありません。嗅覚の喪失は、頭部の損傷だけでなく、特定の毒素への曝露や、腫瘍、アルツハイマー病、ウイルス性疾患などのさまざまな医学的問題によっても引き起こされる可能性があります。 。嗅覚も通常、年齢とともに低下します。2012 年に成人 1,200 人以上を対象に嗅覚検査を受けた研究では、80 歳以上の参加者の 39 パーセントに嗅覚障害があることがわかりました。

嗅覚と味覚の喪失は、パンデミックが始まって以来、新型コロナウイルスの主要な症状となっています。新型コロナウイルス感染症による嗅覚障害を患う人々には、現時点で3つの選択肢しかない：自然に感覚が戻るかどうか様子を見るか、炎症を抑えて回復を早めるためにステロイド薬を要求するか、あるいは自分自身がさらされている再検査を受け始めるか、毎日慣れ親しんだ匂いを嗅ぐ鼻脳神経の回復を促進します。通常、患者が治療を求め、症状の発症から数週間以内に回復する場合、薬物療法は効果があります。しかし、それでも、こうした介入がすべての人に効果があるわけではありません。

2020年4月、VCU嗅覚・味覚クリニックの研究者らは、嗅覚関連症状の有病率と期間を調べるため、新型コロナウイルス感染症と診断された成人を対象とした全国調査を開始した。彼らはこれらの人々を定期的に追跡し、昨年8月に最初の診断から2年後の人々の結果を発表した。その結果は衝撃的でした。38% が嗅覚と味覚が完全に回復したと報告し、54% が部分的に回復したと報告し、7.5% が全く回復していないと報告しました。 「これは深刻な生活の質の問題です」とVCUクリニック院長のエヴァン・ライター氏は語った。

嗅覚の再生

多くの研究者が、幹細胞を使用して匂い受容体や神経を再生するなどの生物学的方法に取り組んでいますが、リチャード・コスタンゾ氏は、ハードウェアインプラントが人間にとって唯一の解決策であると信じています。完全に嗅覚を失ってしまった方へ。 「これらの経路が実際に利用できなくなった場合、テクノロジーで置き換える必要があります」と彼は言う。

コスタンツォは生理学および生物物理学の名誉教授であり、1980 年代にこの種のクリニックとしては国内初の VCU の嗅覚・味覚障害センターを設立しました。長年にわたって匂いの喪失を研究し、生物学的再生の可能性を調査した後、1990 年代にハードウェア ソリューションに取り組み始めました。

彼は、プロトタイプの電子鼻を開発しました。これは嗅覚用の神経人工器官であり、電子鼻センサーが信号を人工内耳から取り出した一連の小さな電極に送信します。難聴のある人のために、インプラントは音に関する情報を内耳に、そして脳に送ることができます。このインプラントは、脳の端にある嗅球に収まるサイズになっています。では、匂いに関する情報を伝えるのにも使えるのでしょうか？

ほとんどの嗅覚障害患者とは異なり、ムーアヘッドさんは医師から嗅覚を取り戻すことはできないと言われても諦めませんでした。 43 の州に店舗を持つ携帯電話小売会社の CEO として、彼は長期的な研究に投資するリソースを持っています。同僚が VCU での仕事について彼に話したとき、彼は連絡を取り、研究助成金を提供してくれました。 2015 年以来、ムーアヘッド氏はこの研究に 100 万ドル近くを投資してきました。彼はまた、VCU からテクノロジーのライセンス供与を受け、Sensory Restoration Technologies というスタートアップを設立しました。

新型コロナウイルス感染症が発生したとき、ムーアヘッド氏はチャンスを見出しました。彼らは宣伝するための製品を立ち上げるには程遠い状況でしたが、彼はすぐにそのスタートアップ向けの Web サイトを構築しました。 「人々は嗅覚を失いつつある。人々は私たちの存在を知る必要がある！」 聴覚などの神経補綴。

人工内耳は、これまでで最も成功した神経技術であり、世界中で 700,000 個を超えるデバイスが耳に埋め込まれています。一方、視覚障害者向けの網膜インプラントを開発している研究機関はすでにあるが、嗅覚や味覚は難しい課題とされてきた。

その理由を理解するには、まず人間の嗅覚系の驚くべき複雑さを理解する必要があります。バラの香りが鼻腔に漂うと、匂い分子が受容体ニューロンに結合し、嗅神経に電気信号を送ります。これらの神経は骨板を通って前脳の小さな神経構造である嗅球に到達します。そこから、情報は扁桃体、つまり感情的な反応を制御する脳の部分に送られます。記憶に関与する構造である海馬、そして認知処理を扱う前頭皮質です。

鼻に入った匂い分子は嗅覚受容体細胞に結合し、篩板の骨を介して嗅球に信号を送ります。そこから信号が脳に送られます。

これらの分岐した神経接続が、匂いが時として非常に強烈な衝撃を与え、幸せな記憶やトラウマ的な出来事を思い出させる理由です。 「嗅覚系は、他の感覚がアクセスできない脳の部分にアクセスできます。また、脳の接続の多様性は、嗅覚系の刺激には、食べ物を鑑賞したり、ガス漏れに気づいたりする以外の用途がある可能性があることを示唆しています」とコエリョ氏は言う。気分、記憶、認知に影響を与える可能性があります。」

生物学的システムは、いくつかの理由から複製が困難です。人間の鼻には、匂い分子を検出する約 400 種類の受容体があります。これらの受容体が連携して働くことで、人間は驚くべき数の匂いを区別できるようになります。2014 年の研究では、その数は 1 兆と推定されています。これまで、チップ上に 400 個のセンサーを搭載し、ユーザーの眼鏡に取り付けることは現実的ではありませんでした。さらに、研究者たちは、脳に匂いを認識させる受容体の特定の組み合わせを刺激する嗅覚コードをまだ完全には理解していません。幸いなことに、コスタンツォとコエーリョは両方の問題を解決できる人を知っていました。

電子鼻と脳刺激における研究の進歩

現在、電子鼻はさまざまな産業、オフィス、住宅環境で使用されています。自宅に一般的な一酸化炭素検出器がある場合、とてもシンプルな電子鼻があります。

「従来のガスセンサーは、金属酸化物などの半導体に基づいています」と、電子鼻研究の第一人者であり、英国マンチェスター大学の化学受容学教授であるクリシュナ・ペルソー氏は説明します。彼はコスタンツォとコエーリョのコンサルタントです。ペルソー氏は、最も典型的な電子鼻デバイスでは、「分子が半導体材料と相互作用すると、抵抗が変化し、それを測定できる。」と述べ、そのようなセンサーは過去20年間で小型化しており、現在ではそのサイズになっていると述べた。マイクロチップの。 「これにより、小さなパッケージで非常に便利になります」と彼は言いました。 VCU チームの初期の実験では、Figaro という日本の会社が提供する既製のセンサーを使用しました。

このような市販のセンサーの問題点は、多くの異なる匂いを区別できないことだとペルソー氏は言います。だからこそ、彼は、安価に製造でき、低消費電力で、配列に組み合わせて数十の匂いに敏感に反応できる導電性ポリマーなどの新材料を研究してきた。神経プロテーゼについては、「原理的には、（センサーの数は）数百個が実現可能だ」とペルソー氏は語った。

第一世代の製品では、ユーザーは何百もの異なる香りを嗅ぐことができませんでした。その代わりに、VCU チームは当初、煙や天然ガスなどの安全関連の匂いや、心地よい匂いのいくつかの受容体を含めることを構想していました。義肢をカスタマイズして、ユーザーにとって意味のある香りを与えることもできます。たとえば、ホームベーカリーにとってはパンの香り、熱心なハイカーにとっては松林の香りなどです。

この電子鼻技術と最新の神経技術を組み合わせることが、コスタンツォとコエーリョが現在直面している課題です。彼らはペルソーと協力して新しいセンサーをテストしている一方で、脳に信号を送信する最良の方法についてボストンの臨床医とも協力している。

VCU チームは動物実験を通じて基礎を築きました。 2016年と2018年のラットを使った実験で、研究チームは、電極を使用して嗅球の表面のスポットを直接刺激すると、嗅球の深部に神経活動のパターンが生じ、それが脳の他の部分に情報を伝えることを示した。研究者はこれらのパターンを臭気マップと呼んでいます。しかし、神経活動はマウスが何かを感じていることを示唆していましたが、マウスは自分たちが何の匂いを嗅いでいるかを研究者に伝えることができませんでした。

耳鼻咽喉科医のエリック・ホルブルック氏は、副鼻腔内の手術が必要な患者を担当することがよくあります。彼は、VCU チームの予備臨床試験の実施を支援しました。

彼らの次のステップは、人間のボランティアを使って同様の実験を実施できる協力者を募集することです。彼らは、コスタンツォの元教え子の一人である、ハーバード大学医学部の耳鼻咽喉科准教授であり、マサチューセッツ大学の目、耳、鼻の部門の責任者であるホルブルックから始めました。ホルブルック氏は、ほとんどの時間を、嗅球から嗅覚受容体を隔てる骨構造である篩状板の下にある篩骨腔を含む、人々の副鼻腔の手術に費やしている。

ホルブルック博士は、2018年に、骨に電極を配置すると嗅球に電気インパルスが送られることを発見しました。覚醒している患者を対象とした試験では、ボランティア 5 人中 3 人が、この刺激中に嗅覚を感じたと報告し、「玉ねぎ」、「保存料と酸味」、「フルーティ」などの匂いが報告されました。しかし、良い匂いではありません。ホルブルック氏は、この試験が嗅覚インプラントシステムの優れた概念実証であると考えているが、骨を通る伝導性が低いことが重大な制限要因であると述べている。 「個別の独立した領域に刺激を与える場合は、骨を通ることはできませんが、嗅球自体に刺激を与える必要があります。」と彼は言いました。嗅球は新たな領域となるでしょう。コエリョ氏は、「理論的には、そこに到達するにはさまざまな方法がある」と述べ、外科医は脳を通って下に進み、眼窩を横に通って、あるいは鼻腔を通って篩状板を突き破り、そこに到達することができる。バルブ。コエリョ医師は、鼻外科医は篩状層の破壊を伴う低リスク手術を行うことが多いと説明した。 「新しいのは、そこに行く方法やその後の片付け方ではなく、問題を引き起こすことなく異物をそこに留めておく方法です。」

脳神経外科の博士。マーク・リチャードソンのてんかん患者は、入院中に脳モニタリングに埋め込み電極を使用して神経科学研究に参加することを志願した。

別の戦略は、嗅球を完全にスキップし、代わりに嗅球から信号を受け取る脳の「下流」部分を刺激することです。このアプローチを支持しているのは、ホルブルックの元教え子であり、マサチューセッツ総合病院の機能神経外科部長であるマーク・リチャードソンです。リチャードソン氏は、医師がどの脳領域が発作に関与しているかを判断し、外科的治療を計画できるように、てんかん患者の脳に電極を入れて数日間入院させることがよくあります。しかし、これらの患者は待っている間に、神経科学の研究に採用されることがよくあります。

コスタンツォとコエーリョの研究を促進するために、リチャードソンのチームはモニタリングユニットのてんかん患者に、ミント、魚、バナナなどの香りがついた棒の匂いを嗅いでもらいました。リチャードソン氏によると、彼らの脳の電極は「私たちが予想していた領域と予想外の領域」で神経活動のパターンを示したという。脳の反応をよりよく理解するために、彼のチームは、より正確なタイミングで匂いを放出する嗅覚計と呼ばれるツールを使用した別の実験を開始したところです。

研究者らは、ペパーミントの香りに反応して脳のどこが活性化するかを把握したら、同じ感覚を生み出すことを期待して、それらの領域を個別に電気刺激してみることができます。 「現在の技術と比較すると、嗅球刺激よりも脳刺激による（匂い知覚の）誘発に近づいていると思います」とリチャードソン氏は語った。同氏は、脳刺激用のインプラントがすでに承認されていることに言及し、そのような機器を使用することで規制の道が容易になると述べた。ただし、脳内の匂い知覚の分散性により、新たな問題が発生します。ユーザーは、異なる領域を刺激するために複数のインプラントが必要になる場合があります。 「私たちは、さまざまな現場を立て続けに、あるいは同時に訪問する必要があるかもしれない」と同氏は語った。

商品化への道

ヨーロッパでは、欧州連合がROSE (Restoring Odor Detection and Identification in Odor Deficiency)と呼ばれる独自の嗅覚インプラント プロジェクトに資金を提供しています。 2021 年に開始され、ヨーロッパ全土の 7 つの機関が参加します。

ドレスデン工科大の嗅覚・味覚クリニック所長でコンソーシアムのメンバーでもあるトーマス・フンメル氏は、ROSEの研究者らは臭気分析用のマイクロセンサーを製造するフランス企業Aryballeと協力していると述べた。パートナーは現在、嗅球と前頭前野を刺激する実験を行っている。 「この装置に必要なコンポーネントはすべてすでに揃っています」と彼は言いました。 「難しいのは、それらを統合することです。」 フンメル氏は、コンソーシアムの研究が 5 ～ 10 年以内に商品化につながる可能性があると見積もっています。 「それは努力と資金の問題だ」と彼は言った。

電子鼻の専門家ペルソー氏は、神経人工装具が商業的に実現可能かどうかについては、陪審はまだ結論を出していない、と述べた。 「嗅覚障害のある人の中には、その感覚を取り戻すために必要なことは何でもする人もいます」と彼は言う。手術やインプラントには常にある程度のリスクが伴うため、「問題は、この装置の市場を生み出すのに十分な人材がいるかどうかだ」と同氏は語った。

VCUの研究者らは、米国食品医薬品局の規制当局と非公式会合を開き、埋め込み型医療機器の承認に向けた初期段階を開始した。しかし、実際的な問題に焦点を当てる傾向がある投資家ムーアヘッド氏は、ドリームチームがその技術をFDAが承認する商用システムの最終ラインまで到達させることはないだろう、と述べた。同氏は、人工内耳市場を独占するオーストラリアのコクレア社など、既存の医療インプラント会社の多くがこの専門知識を持っていると指摘した。 「いずれかの企業にとって魅力的な段階まで（プロジェクトを）進めることができ、彼らのためにある程度のリスクを負うことができれば、それが私の最善の努力だ」とムーアヘッド氏は語った。

コスタンツォ氏は、人々の嗅覚と味覚の能力を回復することが最終目標であると語った。しかし、その前に、彼は彼らに何か他のものを与えることができました。彼の作品を見た絶望的な人々から電話を受けることがよくあります。 「誰かが解決策に取り組んでいることに彼らはとても感謝しています」とコスタンツォ氏は語った。 「私の目標は、これらの人々に希望をもたらすことです。」

出典:

https://spectrum.ieee.org/covid-smell-prosthetic

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