Ці пристрої можуть служити цінними інструментами для біомедичних досліджень і можуть мати потенціал для клінічного застосування в майбутньому. Дослідники Массачусетського технологічного інституту повідомляють, що нові магнітні нанодиски можуть забезпечити набагато менш інвазивний спосіб стимуляції частин мозку, прокладаючи шлях до стимуляційної терапії без імплантатів або генетичної модифікації.
Вчені передбачають, що крихітні диски розміром близько 250 нанометрів (приблизно 1/500 ширини людської волосини) будуть вводитися безпосередньо в потрібне місце в мозку. Звідти їх можна було активувати в будь-який час, просто застосувавши магнітне поле поза тілом. Нові частинки можуть швидко знайти застосування в біомедичних дослідженнях і, зрештою, після достатнього тестування, можуть бути застосовані для клінічного використання.
Розробка цих наночастинок описана в журналі Nature Nanotechnology, у статті Поліни Анікеєвої, професора факультету матеріалознавства та інженерії та мозку та когнітивних наук Массачусетського технологічного інституту, аспіранта Є Джи Кіма та 17 інших співробітників Массачусетського технологічного інституту та Німеччини. .
Глибока стимуляція мозку (DBS) — це поширена клінічна процедура, яка використовує електроди, імплантовані в цільові області мозку, для лікування симптомів неврологічних і психіатричних захворювань, таких як хвороба Паркінсона та обсесивно-компульсивний розлад. Незважаючи на його ефективність, хірургічні труднощі та клінічні ускладнення, пов’язані з DBS, обмежують кількість випадків, коли така інвазивна процедура є виправданою. Нові нанодиски можуть забезпечити набагато більш щадний спосіб досягнення тих же результатів.
Попередні проблеми з неінвазивними методами стимуляції
За останнє десятиліття були розроблені інші методи стимуляції мозку без імплантатів. Однак ці підходи часто були обмежені їхньою просторовою роздільною здатністю або здатністю націлюватися на глибокі регіони. Протягом останнього десятиліття група Біоелектроніки Анікєєвої, а також інші в цій галузі використовували магнітні наноматеріали для перетворення дистанційних магнітних сигналів у стимуляцію мозку. Однак ці магнітні методи ґрунтуються на генетичних модифікаціях і не можуть бути використані на людях.
Оскільки всі нервові клітини чутливі до електричних сигналів, Кім, аспірант групи Анікєєвої, висунув гіпотезу, що магнітоелектричний наноматеріал, який може ефективно перетворювати намагніченість в електричний потенціал, може запропонувати шлях до дистанційної магнітної стимуляції мозку. Однак створення нанорозмірного магнітоелектричного матеріалу було величезним викликом.
Кім синтезував нові магнітоелектричні нанодиски та співпрацював з Ноа Кентом, постдоктором у лабораторії Анікєєвої з досвідом фізики, який є другим автором дослідження, щоб зрозуміти властивості цих частинок.
Структура нових нанодисків складається з двошарового магнітного ядра і п’єзоелектричної оболонки. Магнітне осердя є магнітострикційним, тобто змінює форму під час намагнічування. Потім ця деформація викликає деформацію в п’єзоелектричній оболонці, яка створює різну електричну поляризацію. Завдяки комбінації двох ефектів ці композитні частинки можуть доставляти електричні імпульси нейронам під впливом магнітних полів.Переваги дискової форми в ефективності стимуляції
Одним із ключових факторів ефективності дисків є їх форма. У попередніх спробах використання магнітних наночастинок використовувалися сферичні частинки, але магнітоелектричний ефект був дуже слабким, каже Кім. Ця анізотропія посилює магнітострикцію більш ніж у 1000 разів, додає Кент.
Команда спочатку додала свої нанодиски до культивованих нейронів, що дозволило потім активувати ці клітини за потреби короткими імпульсами магнітного поля. Ця стимуляція не потребувала жодної генетичної модифікації.
Потім вони ввели маленькі краплі розчину магнітоелектричних нанодисків у певні ділянки мозку мишей. Потім просте ввімкнення відносно слабкого електромагніту поблизу призвело до того, що частинки випустили невеликий поштовх електрики в цій області мозку. Стимуляцію можна вмикати та вимикати дистанційно за допомогою електромагніту. Ця електрична стимуляція «вплинула на активність нейронів і поведінку», — каже Кім.
Команда виявила, що магнітоелектричні нанодиски можуть стимулювати глибоку область мозку, вентральну тегментальну область, яка пов’язана з почуттям винагороди.
Команда також стимулювала іншу область мозку, субталамічне ядро, пов’язане з руховим контролем. «Це регіон, де зазвичай імплантують електроди для лікування хвороби Паркінсона», — пояснює Кім. Дослідники змогли успішно продемонструвати модуляцію управління двигуном через частинки. Зокрема, вводячи нанодиски лише в одну півкулю, дослідники могли індукувати обертання у здорових мишей, застосовуючи магнітне поле.
Покращена точність і безпека порівняно зі звичайними імплантатами
Нанодиски можуть викликати нейрональну активність, яку можна порівняти зі звичайними імплантованими електродами, що забезпечують легку електричну стимуляцію. Автори досягли субсекундної тимчасової точності нейронної стимуляції за допомогою свого методу, але спостерігали значно знижені відповіді сторонніх тіл порівняно з електродами, потенційно дозволяючи ще безпечнішу глибоку стимуляцію мозку.
Багатошаровий хімічний склад, фізична форма та розмір нових багатошарових нанодисків зробили можливим точне стимулювання.У той час як дослідники успішно посилили магнітострикційний ефект, друга частина процесу, перетворення магнітного ефекту в електричний вихід, все ще потребує додаткової роботи, каже Анікєєва. Хоча магнітний відгук був у тисячу разів сильнішим, перетворення в електричний імпульс було лише в чотири рази більшим, ніж у звичайних сферичних частинок.
«Це значне підвищення в тисячу разів не повністю перетворилося на магнітоелектричне посилення», — каже Кім. «Саме на цьому буде зосереджено багато майбутньої роботи, щоб переконатися, що тисячократне посилення в магнітострикції можна перетворити на тисячократне посилення в магнітоелектричному зв’язку».
Те, що команда виявила, з точки зору того, як форми частинок впливають на їх магнітострикцію, було досить несподіваним. «Це щось нове, що з’явилося, коли ми намагалися з’ясувати, чому ці частинки працюють так добре», — каже Кент.
Анікєєва додає: «Так, це рекордна частинка, але вона не така рекордна, як могла б бути». Це залишається темою для подальшої роботи, але команда має ідеї щодо подальшого прогресу.
Хоча ці нанодиски в принципі вже можуть бути застосовані для фундаментальних досліджень на тваринних моделях, щоб перевести їх у клінічне використання на людях, знадобиться ще кілька кроків, у тому числі широкомасштабні дослідження безпеки, «а це те, що академічні дослідники не обов’язково мають найкращі позиції. робити», – каже Анікєєва. «Коли ми виявимо, що ці частинки справді корисні в конкретному клінічному контексті, тоді ми уявимо, що буде шлях, за яким вони пройдуть більш суворі великі дослідження безпеки на тваринах».