Novi magnetni nanodiskovi mogli bi da obezbede mnogo manje invazivan način stimulisanja delova mozga, utirući put stimulativnim terapijama bez implantata ili genetskih modifikacija, izveštavaju istraživači sa MIT-a.
Naučnici predviđaju da bi sićušni diskovi, prečnika oko 250 nanometara (oko 1/500 širine ljudske kose), bili ubrizgani direktno na željenu lokaciju u mozgu. Odatle se mogu aktivirati u bilo kom trenutku jednostavnim primenom magnetnog polja van tela.
Nove čestice bi mogle brzo da nađu primenu u biomedicinskim istraživanjima i na kraju, nakon dovoljno testiranja, mogle bi se primeniti u kliničkoj upotrebi.
Razvoj ovih nanočestica opisan je u časopisu Nanotehnologija prirode, u radu Poline Anikeeve, profesorke na MIT-ovim odeljenjima za nauku o materijalima i inženjeringu i nauku o mozgu i kognitivnim naukama, postdiplomca Ie Ji Kim, i 17 drugih na MIT-u i u Nemačkoj.
Duboka moždana stimulacija (DBS) je uobičajena klinička procedura koja koristi elektrode implantirane u ciljane regije mozga za lečenje simptoma neuroloških i psihijatrijskih stanja kao što su Parkinsonova bolest i opsesivno-kompulzivni poremećaj.
Uprkos njegovoj efikasnosti, hirurške poteškoće i kliničke komplikacije povezane sa DBS ograničavaju broj slučajeva u kojima je takva invazivna procedura opravdana. Novi nanodiskovi bi mogli da obezbede mnogo benigniji način za postizanje istih rezultata.
Tokom protekle decenije, razvijene su druge metode za proizvodnju moždane stimulacije bez implantata. Međutim, ovi pristupi su često bili ograničeni svojom prostornom rezolucijom ili sposobnošću da ciljaju duboke regione.
Tokom protekle decenije, grupa za bioelektroniku Anikeeve, kao i drugi u ovoj oblasti, koristili su magnetne nanomaterijale za pretvaranje daljinskih magnetnih signala u stimulaciju mozga. Međutim, ove magnetne metode su se oslanjale na genetske modifikacije i ne mogu se koristiti kod ljudi.
Pošto su sve nervne ćelije osetljive na električne signale, Kim, studentkinja u Anikeevoj grupi, pretpostavila je da bi magnetoelektrični nanomaterijal koji može efikasno da pretvori magnetizaciju u električni potencijal mogao da ponudi put ka daljinskoj magnetnoj stimulaciji mozga. Međutim, stvaranje magnetoelektričnog materijala na nanorazmeri bilo je ogroman izazov.
Kim je sintetizovao nove magnetoelektrične nanodiskove i sarađivao sa Noah Kentom, postdoktorom u Anikeevoj laboratoriji sa iskustvom u fizici, koji je drugi autor studije, da bi razumeo svojstva ovih čestica.
Struktura novih nanodiskova sastoji se od dvoslojnog magnetnog jezgra i piezoelektrične školjke. Magnetno jezgro je magnetostriktivno, što znači da menja oblik kada je magnetizovano. Ova deformacija zatim indukuje naprezanje u piezoelektričnom omotaču koje proizvodi promenljivu električnu polarizaciju.
Kombinacijom ova dva efekta, ove kompozitne čestice mogu da isporuče električne impulse neuronima kada su izložene magnetnim poljima.
Jedan od ključeva efikasnosti diskova je njihov oblik diska. Prethodni pokušaji korišćenja magnetnih nanočestica su koristili sferne čestice, ali je magnetoelektrični efekat bio veoma slab, kaže Kim. Ova anizotropija povećava magnetostrikciju za preko 1.000 puta, dodaje Kent.
Tim je prvo dodao svoje nanodiskove kultivisanim neuronima, što im je omogućilo da aktiviraju ove ćelije na zahtev kratkim impulsima magnetnog polja. Ova stimulacija nije zahtevala nikakvu genetsku modifikaciju.
Zatim su ubrizgali male kapljice rastvora magnetoelektričnih nanodiska u određene regione mozga miševa. Zatim, jednostavno uključivanje relativno slabog elektromagneta u blizini pokrenulo je čestice da oslobode mali udar električne energije u tom delu mozga. Stimulacija se može uključiti i isključiti daljinski uključivanjem elektromagneta. Ta električna stimulacija „imala je uticaj na aktivnost neurona i na ponašanje“, kaže Kim.
Tim je otkrio da magnetoelektrični nanodiskovi mogu stimulisati duboku regiju mozga, ventralnu tegmentalnu oblast, koja je povezana sa osećanjem nagrade.
Tim je takođe stimulisao još jedno područje mozga, subtalamičko jezgro, povezano sa kontrolom motora. „Ovo je region gde se obično ugrađuju elektrode za lečenje Parkinsonove bolesti“, objašnjava Kim. Istraživači su uspeli da uspešno pokažu modulaciju kontrole motora kroz čestice. Konkretno, ubrizgavanjem nanodiskova samo u jednu hemisferu, istraživači su mogli da izazovu rotacije kod zdravih miševa primenom magnetnog polja.
Nanodiskovi bi mogli da pokrenu neuronsku aktivnost uporedivu sa konvencionalnim implantiranim elektrodama koje isporučuju blagu električnu stimulaciju. Autori su svojom metodom postigli temporalnu preciznost ispod sekunde za neuronsku stimulaciju, ali su primetili značajno smanjene odgovore stranog tela u poređenju sa elektrodama, potencijalno omogućavajući još bezbedniju duboku stimulaciju mozga.
Višeslojni hemijski sastav i fizički oblik i veličina novih višeslojnih nanodiskova je ono što je omogućilo preciznu stimulaciju.
Dok su istraživači uspešno povećali magnetostriktivni efekat, drugi deo procesa, pretvarajući magnetni efekat u električni izlaz, i dalje treba više rada, kaže Anikeeva. Dok je magnetni odgovor bio hiljadu puta veći, konverzija u električni impuls bila je samo četiri puta veća nego kod konvencionalnih sfernih čestica.
„Ovo ogromno poboljšanje od hiljadu puta nije se u potpunosti pretvorilo u magnetoelektrično poboljšanje“, kaže Kim. „Tamo će se veliki deo budućeg rada fokusirati na to da se hiljadustruko pojačanje magnetostrikcije može pretvoriti u hiljadu puta pojačanje u magnetoelektričnoj sprezi.“
Ono što je tim otkrio, u smislu načina na koji oblici čestica utiču na njihovu magnetostrikciju, bilo je prilično neočekivano. „To je neka nova stvar koja se upravo pojavila kada smo pokušali da shvatimo zašto su ove čestice tako dobro funkcionisale“, kaže Kent.
Anikeeva dodaje: „Da, to je čestica koja obara rekorde, ali nije tako rekordna koliko bi mogla biti“. To ostaje tema za dalji rad, ali tim ima ideje kako dalje napredovati.
Iako bi se ovi nanodiskovi u principu već mogli primeniti na osnovna istraživanja koristeći životinjske modele, da bi se oni preveli u kliničku upotrebu kod ljudi, bilo bi potrebno još nekoliko koraka, uključujući velike studije o bezbednosti, „što je nešto što akademski istraživači nisu nužno najbolje pozicionirani da uradim“, kaže Anikeeva.
„Kada otkrijemo da su ove čestice zaista korisne u određenom kliničkom kontekstu, onda zamišljamo da će postojati put za njih da prođu rigoroznije velike studije o bezbednosti životinja.“
