Dzięki ścisłemu owijaniu neuronów urządzenia te mogą pomóc naukowcom w badaniu subkomórkowych obszarów mózgu, a nawet pomóc w przywróceniu niektórych funkcji mózgu.
Urządzenia przenośne, takie jak smartwatche i monitory kondycji, wchodzą w interakcję z częściami naszego ciała, mierząc i ucząc się na podstawie procesów wewnętrznych, takich jak tętno czy fazy snu.
Teraz, MIT badacze opracowali urządzenia do noszenia, które mogą pełnić podobne funkcje dla poszczególnych komórek w organizmie.
Te pozbawione baterii urządzenia wielkości subkomórkowej, wykonane z miękkiego polimeru, zostały zaprojektowane tak, aby po bezprzewodowym uruchomieniu światłem delikatnie owijać różne części neuronów, takie jak aksony i dendryty, bez uszkadzania komórek. Dzięki ścisłemu owinięciu procesów neuronalnych można je wykorzystać do pomiaru lub modulowania aktywności elektrycznej i metabolicznej neuronu na poziomie subkomórkowym.
Ponieważ urządzenia te są bezprzewodowe i swobodnie unoszą się w powietrzu, naukowcy przewidują, że pewnego dnia można będzie wstrzyknąć tysiące maleńkich urządzeń, a następnie uruchomić je nieinwazyjnie za pomocą światła. Naukowcy mieliby precyzyjnie kontrolować sposób, w jaki urządzenia do noszenia delikatnie owijają się wokół komórek, manipulując dawką światła padającego z zewnątrz ciała, które przenikałoby przez tkankę i uruchamiało urządzenia.
Otaczając aksony, które przekazują impulsy elektryczne między neuronami i do innych części ciała, te urządzenia do noszenia mogą pomóc w przywróceniu części degradacji neuronów, która występuje w chorobach takich jak stwardnienie rozsiane. W dłuższej perspektywie urządzenia można będzie zintegrować z innymi materiałami, tworząc maleńkie obwody, które będą mogły mierzyć i modulować poszczególne ogniwa.
„Koncepcja i technologia platformy, którą tu wprowadzamy, są jak kamień węgielny, który stwarza ogromne możliwości dla przyszłych badań” – mówi Deblina Sarkar, adiunkt ds. rozwoju kariery w AT&T w Media Lab i Centrum Inżynierii Neurobiologicznej MIT, kierownik działu Nano- Cybernetic Biotrek Lab i starszy autor artykułu na temat tej techniki.
W artykule do Sarkara dołącza główna autorka Marta JI Airaghi Leccardi, była postdoc z MIT, a obecnie stypendystka Novartis Innovation Fellow; Benoît XE Desbiolles, postdoc z MIT; Anna Y. Haddad ’23, która w trakcie pracy była pracownikiem naukowym na studiach licencjackich w MIT; oraz absolwenci MIT Baju C. Joy i Chen Song. Wyniki badań opublikowano niedawno w Komunikacja przyrodnicza Chemia.
Ściśle owijające komórki
Komórki mózgowe mają złożone kształty, co niezwykle utrudnia stworzenie implantu bioelektronicznego, który będzie ściśle dopasowywał się do neuronów lub procesów neuronalnych. Na przykład aksony to smukłe struktury przypominające ogony, które przyczepiają się do ciała komórkowego neuronów, a ich długość i krzywizna są bardzo zróżnicowane.
Jednocześnie aksony i inne elementy komórkowe są delikatne, dlatego każde urządzenie, które się z nimi łączy, musi być wystarczająco miękkie, aby zapewnić dobry kontakt bez ich uszkodzenia.
Aby sprostać tym wyzwaniom, badacze z MIT opracowali urządzenia cienkowarstwowe z miękkiego polimeru zwanego azobenzenem, które nie uszkadzają otaczających je komórek.
W wyniku przemiany materiału cienkie arkusze azobenzenu będą się toczyć pod wpływem światła, umożliwiając im owijanie się wokół komórek. Naukowcy mogą precyzyjnie kontrolować kierunek i średnicę walcowania, zmieniając natężenie i polaryzację światła, a także kształt urządzeń.
Cienkie warstwy mogą tworzyć maleńkie mikrorurki o średnicy mniejszej niż mikrometr. Umożliwia im to delikatne, ale dokładne owijanie się wokół silnie zakrzywionych aksonów i dendrytów.
„Możliwa jest bardzo precyzyjna kontrola średnicy walcowania. Możesz przerwać, jeśli osiągniesz żądany wymiar, odpowiednio dostosowując energię świetlną” – wyjaśnia Sarkar.
Naukowcy eksperymentowali z kilkoma technikami wytwarzania, aby znaleźć proces, który byłby skalowalny i nie wymagałby stosowania czystego pomieszczenia do produkcji półprzewodników.
Tworzenie mikroskopijnych urządzeń do noszenia
Rozpoczynają od nałożenia kropli azobenzenu na warstwę protektorową złożoną z materiału rozpuszczalnego w wodzie. Następnie badacze odciskają stempel na kropli polimeru, aby uformować tysiące maleńkich urządzeń na wierzchu warstwy protektorowej. Technika tłoczenia umożliwia tworzenie skomplikowanych struktur, od prostokątów po kształty kwiatów.
Etap pieczenia zapewnia odparowanie wszystkich rozpuszczalników, a następnie za pomocą trawienia zeskrobuje się materiał pozostały pomiędzy poszczególnymi urządzeniami. Na koniec rozpuszczają warstwę protektorową w wodzie, pozostawiając tysiące mikroskopijnych urządzeń swobodnie unoszących się w cieczy.
Po opracowaniu rozwiązania obejmującego urządzenia swobodnie unoszące się w powietrzu, bezprzewodowo uruchomili je światłem, aby spowodować ich przetoczenie. Odkryli, że swobodnie pływające konstrukcje mogą zachować swój kształt przez kilka dni po ustaniu oświetlenia.
Naukowcy przeprowadzili serię eksperymentów, aby upewnić się, że cała metoda jest biokompatybilna.
Po udoskonaleniu wykorzystania światła do kontrolowania toczenia się, przetestowali urządzenia na neuronach szczurów i odkryli, że mogą one szczelnie owinąć nawet bardzo zakrzywione aksony i dendryty, nie powodując uszkodzeń.
„Aby zapewnić bliski interfejs z tymi komórkami, urządzenia muszą być miękkie i dostosowywać się do tych złożonych struktur. To jest wyzwanie, które rozwiązaliśmy w tej pracy. Jako pierwsi pokazaliśmy, że azobenzen może nawet owijać się wokół żywych komórek” – mówi.
Jednym z największych wyzwań, przed którymi stanęli, było opracowanie skalowalnego procesu produkcyjnego, który można przeprowadzić poza pomieszczeniem czystym. Pracowali także nad idealną grubością urządzeń, ponieważ ich zbyt duża grubość powoduje pękanie podczas toczenia.
Ponieważ azobenzen jest izolatorem, jednym z bezpośrednich zastosowań jest wykorzystanie urządzeń jako syntetycznej mieliny dla uszkodzonych aksonów. Mielina to warstwa izolacyjna, która otula aksony i umożliwia skuteczne przemieszczanie się impulsów elektrycznych między neuronami.
W chorobach niezwiązanych z mielinizacją, takich jak stwardnienie rozsiane, neurony tracą część izolujących osłonek mielinowych. Nie ma biologicznego sposobu na ich regenerację. Działając jak syntetyczna mielina, urządzenia do noszenia mogą pomóc w przywróceniu funkcji neuronów u pacjentów ze stwardnieniem rozsianym.
Naukowcy zademonstrowali także, w jaki sposób urządzenia można łączyć z materiałami optoelektrycznymi, które mogą stymulować komórki. Co więcej, na wierzchu urządzeń można nakładać wzory na atomowo cienkie materiały, które nadal mogą się zwijać, tworząc mikrorurki bez pękania. Otwiera to możliwości integracji czujników i obwodów w urządzeniach.
Ponadto, ponieważ tworzą one tak ścisłe połączenie z komórkami, do stymulacji obszarów subkomórkowych można zużyć bardzo mało energii. Mogłoby to umożliwić badaczowi lub klinicyście modulowanie aktywności elektrycznej neuronów w celu leczenia chorób mózgu.
„Pokazanie symbiozy sztucznego urządzenia z komórką w niespotykanej dotąd rozdzielczości jest ekscytujące. Pokazaliśmy, że taka technologia jest możliwa” – mówi Sarkar.
Oprócz zbadania tych zastosowań naukowcy chcą spróbować funkcjonalizować powierzchnie urządzeń cząsteczkami, które umożliwiłyby im atakowanie określonych typów komórek lub regionów subkomórkowych.
Odniesienie: „Indukowane światłem walcowanie cienkich folii polimeru azobenzenu do owijania subkomórkowych struktur neuronalnych” Marta JI Airaghi Leccardi, Benoît XE Desbiolles, Anna Y. Haddad, Baju C. Joy, Chen Song i Deblina Sarkar, 30 października 2024 r., Chemia komunikacji.
DOI: 10.1038/s42004-024-01335-8
Badania były wspierane przez Szwajcarską Narodową Fundację Naukową i Stany Zjednoczone Narodowe Instytuty Zdrowia Inicjatywa mózgu.
