Urządzenia te mogą służyć jako cenne narzędzia w badaniach biomedycznych, a w przyszłości mogą znaleźć zastosowanie kliniczne.
Nowatorskie nanodyski magnetyczne mogą zapewnić znacznie mniej inwazyjną metodę stymulacji części mózgu, torując drogę terapiom stymulacyjnym bez implantów i modyfikacji genetycznych, MIT donoszą badacze.
Naukowcy przewidują, że maleńkie krążki o średnicy około 250 nanometrów (około 1/500 szerokości ludzkiego włosa) zostaną wstrzyknięte bezpośrednio w wybrane miejsce w mózgu. Stamtąd można je było aktywować w dowolnym momencie, po prostu przykładając pole magnetyczne na zewnątrz ciała. Nowe cząstki mogą szybko znaleźć zastosowanie w badaniach biomedycznych, a ostatecznie, po wystarczających testach, mogą znaleźć zastosowanie kliniczne.
W czasopiśmie opisano rozwój tych nanocząstek Nanotechnologia naturyw artykule Poliny Anikeevej, profesor na wydziałach Inżynierii Materiałowej i Inżynierii Materiałowej oraz Nauk o Mózgu i Kognitywistyce, absolwentki Ye Ji Kim oraz 17 innych osób z MIT i Niemiec.
Głęboka stymulacja mózgu (DBS) to powszechna procedura kliniczna, w której wykorzystuje się elektrody wszczepiane w docelowe obszary mózgu w celu leczenia objawów schorzeń neurologicznych i psychiatrycznych, takich jak choroba Parkinsona i zaburzenia obsesyjno-kompulsyjne. Pomimo skuteczności, trudności chirurgiczne i powikłania kliniczne związane z DBS ograniczają liczbę przypadków, w których uzasadniona jest taka inwazyjna procedura. Nowe nanodyski mogą zapewnić znacznie łagodniejszy sposób osiągnięcia tych samych wyników.
Poprzednie wyzwania związane z nieinwazyjnymi metodami stymulacji
W ciągu ostatniej dekady opracowano inne, niewymagające implantów, metody stymulacji mózgu. Jednak podejścia te były często ograniczone rozdzielczością przestrzenną lub możliwością ukierunkowania na głębokie regiony. Przez ostatnią dekadę grupa Bioelectronics Anikeevy, a także inne osoby zajmujące się tą dziedziną, wykorzystywały nanomateriały magnetyczne do przekształcania zdalnych sygnałów magnetycznych w celu stymulacji mózgu. Jednakże te metody magnetyczne opierają się na modyfikacjach genetycznych i nie mogą być stosowane u ludzi.
Ponieważ wszystkie komórki nerwowe są wrażliwe na sygnały elektryczne, Kim, absolwentka grupy Anikeevy, postawił hipotezę, że nanomateriał magnetoelektryczny, który może skutecznie przekształcać namagnesowanie w potencjał elektryczny, mógłby otworzyć drogę do zdalnej magnetycznej stymulacji mózgu. Tworzenie nanoskala Jednakże materiał magnetoelektryczny stanowił ogromne wyzwanie.
Kim zsyntetyzował nowatorskie nanodyski magnetoelektryczne i współpracował z Noahem Kentem, postdoktorem w laboratorium Anikeevy z doświadczeniem w fizyce, który jest drugim autorem badania, aby zrozumieć właściwości tych cząstek.
Struktura nowych nanodysków składa się z dwuwarstwowego rdzenia magnetycznego i powłoki piezoelektrycznej. Rdzeń magnetyczny jest magnetostrykcyjny, co oznacza, że zmienia kształt pod wpływem namagnesowania. To odkształcenie powoduje następnie naprężenie w powłoce piezoelektrycznej, co powoduje zmienną polaryzację elektryczną. Dzięki połączeniu tych dwóch efektów te cząstki kompozytowe mogą dostarczać impulsy elektryczne do neuronów pod wpływem pól magnetycznych.
Zalety kształtu dysku pod względem skuteczności stymulacji
Kluczem do skuteczności dysków jest ich kształt. Poprzednie próby wykorzystania nanocząstek magnetycznych wykorzystywały cząstki kuliste, ale efekt magnetoelektryczny był bardzo słaby, mówi Kim. Ta anizotropia zwiększa magnetostrykcję ponad 1000-krotnie, dodaje Kent.
Zespół najpierw dodał swoje nanodyski do hodowanych neuronów, co umożliwiło następnie aktywację tych komórek na żądanie krótkimi impulsami pola magnetycznego. Stymulacja ta nie wymagała żadnych modyfikacji genetycznych.
Następnie wstrzyknęli małe kropelki roztworu nanodysków magnetoelektrycznych do określonych obszarów mózgów myszy. Następnie zwykłe włączenie stosunkowo słabego elektromagnesu w pobliżu spowodowało, że cząstki wyzwoliły niewielki impuls elektryczny w tym obszarze mózgu. Stymulacja mogła być włączana i wyłączana zdalnie poprzez włączenie elektromagnesu. Ta stymulacja elektryczna „miała wpływ na aktywność neuronów i zachowanie” – mówi Kim.
Zespół odkrył, że nanodyski magnetoelektryczne mogą stymulować głęboki obszar mózgu, brzuszny obszar nakrywkowy, który jest powiązany z uczuciem nagrody.
Zespół stymulował także inny obszar mózgu – jądro podwzgórzowe – powiązane z kontrolą motoryczną. „To jest region, w którym zazwyczaj wszczepia się elektrody w celu leczenia choroby Parkinsona” – wyjaśnia Kim. Naukowcom udało się z powodzeniem zademonstrować modulację sterowania silnikiem poprzez cząstki. W szczególności, wstrzykując nanodyski tylko w jedną półkulę, badacze mogli wywołać rotacje u zdrowych myszy poprzez przyłożenie pola magnetycznego.
Większa precyzja i bezpieczeństwo w porównaniu z konwencjonalnymi implantami
Nanodyski mogą wyzwalać aktywność neuronalną porównywalną z konwencjonalnymi wszczepionymi elektrodami zapewniającymi łagodną stymulację elektryczną. Autorzy uzyskali za pomocą swojej metody subsekundową precyzję czasową stymulacji nerwów, zaobserwowali jednak znacznie zmniejszoną reakcję na ciało obce w porównaniu z elektrodami, co potencjalnie pozwala na jeszcze bezpieczniejszą głęboką stymulację mózgu.
Wielowarstwowy skład chemiczny oraz kształt fizyczny i rozmiar nowych wielowarstwowych nanodysków umożliwiły precyzyjną stymulację.
Choć naukowcom udało się zwiększyć efekt magnetostrykcyjny, druga część procesu, polegająca na przekształceniu efektu magnetycznego w energię elektryczną, nadal wymaga więcej pracy, mówi Anikeeva. Chociaż odpowiedź magnetyczna była tysiąc razy większa, konwersja na impuls elektryczny była tylko czterokrotnie większa niż w przypadku konwencjonalnych cząstek kulistych.
„To ogromne, tysiąckrotne wzmocnienie nie przełożyło się całkowicie na wzmocnienie magnetoelektryczne” – mówi Kim. „Właśnie na tym skupi się duża część przyszłych prac, na upewnieniu się, że tysiąckrotne wzmocnienie w magnetostrykcji można przekształcić w tysiąckrotne wzmocnienie w sprzężeniu magnetoelektrycznym”.
To, co odkrył zespół, jeśli chodzi o sposób, w jaki kształty cząstek wpływają na ich magnetostrykcję, było dość nieoczekiwane. „To całkiem nowa rzecz, która pojawiła się właśnie, gdy próbowaliśmy dowiedzieć się, dlaczego te cząstki działają tak dobrze” – mówi Kent.
Anikeeva dodaje: „Tak, to rekordowa cząstka, ale nie tak rekordowa, jak mogłaby być”. Pozostaje to tematem dalszej pracy, ale zespół ma pomysły na dalsze postępy.
Chociaż te nanodyski w zasadzie można już zastosować w badaniach podstawowych z wykorzystaniem modeli zwierzęcych, przełożenie ich na zastosowanie kliniczne u ludzi wymagałoby kilku dodatkowych kroków, w tym badań bezpieczeństwa na dużą skalę, „co niekoniecznie jest czymś, co badacze akademiccy niekoniecznie mają najlepszą pozycję” zrobić” – mówi Anikeeva. „Kiedy odkryjemy, że cząstki te są naprawdę przydatne w konkretnym kontekście klinicznym, wyobrażamy sobie, że będzie istniała możliwość poddania ich bardziej rygorystycznym badaniom dotyczącym bezpieczeństwa na dużych zwierzętach”.
Odniesienie: „Nanodyski magnetoelektryczne umożliwiają bezprzewodową neuromodulację wolną od transgenów” autorstwa Ye Ji Kim, Noah Kent, Emmanuel Vargas Paniagua, Nicolette Driscoll, Anthony Tabet, Florian Koehler, Elian Malkin, Ethan Frey, Marie Manthey, Atharva Sahasrabudhe, Taylor M. Cannon, Keisuke Nagao, David Mankus, Margaret Bisher, Giovanni de Nola, Abigail Lytton-Jean, Lorenzo Signorelli, Danijela Gregurec i Polina Anikeeva, 11 października 2024 r., Nanotechnologia natury.
DOI: 10.1038/s41565-024-01798-9
W skład zespołu wchodzili naukowcy związani z wydziałami inżynierii i inżynierii materiałowej MIT, elektrotechniki i informatyki, chemii oraz nauk o mózgu i kognitywistyce; Laboratorium Badawcze Elektroniki; Instytut McGovern Badań nad Mózgiem; oraz Instytut Kocha ds. Integracyjnych Badań nad Rakiem; oraz z Uniwersytetu Fryderyka Aleksandra w Erlangen w Niemczech. Częściowo prace wsparł m.in Narodowe Instytuty ZdrowiaKrajowe Centrum Zdrowia Komplementarnego i Integracyjnego, Narodowy Instytut Zaburzeń Neurologicznych i Udaru mózgu, Instytut Badań nad Mózgiem McGovern oraz Centrum Terapii Molekularnej w Neuronauce im. K. Lisy Yang i Hocka E. Tan.
