Inženjeri na MIT-u razvili su mekana i implantabilna vlakna koja mogu da isporuče svetlost glavnim nervima kroz telo. Kada se ovi nervi genetski manipulišu da reaguju na svetlost, vlakna mogu poslati impulse svetlosti nervima da inhibiraju bol. Optička vlakna su fleksibilna i rastežu se sa telom.
Nova vlakna su zamišljena kao eksperimentalno sredstvo koje naučnici mogu koristiti za istraživanje uzroka i potencijalnih tretmana za poremećaje perifernih nerava na životinjskim modelima. Bol perifernih nerava može se javiti kada su oštećeni nervi izvan mozga i kičmene moždine, što dovodi do peckanja, utrnulosti i bolova u zahvaćenim udovima. Procenjuje se da periferna neuropatija pogađa više od 20 miliona ljudi u Sjedinjenim Državama.
„Sadašnji uređaji koji se koriste za proučavanje nervnih poremećaja napravljeni su od krutih materijala koji ograničavaju kretanje, tako da ne možemo zaista proučavati povrede kičmene moždine i oporavak ako je uključen bol“, kaže Sijuan Rao, docent biomedicinskog inženjerstva na Univerzitetu u Masačusetsu. u Amherstu, koji je deo posla obavljao kao postdoktor na MIT-u. „Naša vlakna se mogu prilagoditi prirodnom kretanju i obavljati svoj posao, a da pritom ne ograničavaju kretanje subjekta. To nam može dati preciznije informacije.“
„Sada ljudi imaju alat za proučavanje bolesti povezanih sa perifernim nervnim sistemom, u veoma dinamičnim, prirodnim i neograničenim uslovima“, dodaje dr Ksinjue Liu. ’22, koji je sada docent na Državnom univerzitetu Mičigen (MSU).
Detalji o novim vlaknima njihovog tima prikazani su u studiji koja se pojavljuje u Nature Methods. Raov i Liuov MIT koautori su Atharva Sahasrabudhe, diplomirani student hemije; Ksuanhe Zhao, profesor mašinstva i građevinarstva i inženjerstva životne sredine; i Polina Anikeeva, profesor nauke o materijalima i inženjeringa, zajedno sa ostalima na MSU, UMass-Amherst, Harvard Medical School i Nacionalnim institutima za zdravlje.
Nova studija je nastala iz želje tima da proširi upotrebu optogenetike izvan mozga. Optogenetika je tehnika kojom se nervi genetski konstruišu da reaguju na svetlost. Izlaganje toj svetlosti tada može ili aktivirati ili inhibirati nerv, što naučnicima može dati informacije o tome kako nerv funkcioniše i komunicira sa okolinom.
Neuronaučnici su primenili optogenetiku kod životinja kako bi precizno pratili neuronske puteve koji su u osnovi niza moždanih poremećaja, uključujući zavisnost, Parkinsonovu bolest i poremećaje raspoloženja i spavanja – informacije koje su dovele do ciljanih terapija za ova stanja.
Do danas, optogenetika je prvenstveno korišćena u mozgu, oblasti u kojoj nedostaju receptori za bol, što omogućava relativno bezbolnu implantaciju krutih uređaja. Međutim, kruti uređaji i dalje mogu oštetiti nervna tkiva. Tim MIT-a se pitao da li se tehnika može proširiti na nerve izvan mozga. Baš kao i kod mozga i kičmene moždine, nervi u perifernom sistemu mogu doživeti niz oštećenja, uključujući išijas, bolest motornih neurona i opštu utrnulost i bol.
Optogenetika bi mogla pomoći neuronaučnicima da identifikuju specifične uzroke stanja perifernih nerava, kao i test terapije za njihovo ublažavanje. Ali glavna prepreka primeni tehnike izvan mozga je kretanje. Periferni nervi doživljavaju stalno potiskivanje i povlačenje iz okolnih mišića i tkiva. Ako bi se kruti silikonski uređaji koristili na periferiji, oni bi ograničili prirodno kretanje životinje i potencijalno izazvali oštećenje tkiva.
Istraživači su tražili da razviju alternativu koja bi mogla da radi i da se kreće sa telom. Njihov novi dizajn je meko, rastezljivo, providno vlakno napravljeno od hidrogela – gumene, biokompatibilne mešavine polimera i vode, čiji su odnos podesili da bi stvorili sićušne kristale polimera na nanosmeru rasute po rastvoru koji je više sličan želeu.
Vlakno oličava dva sloja — jezgro i spoljašnju školjku ili „oplatu“. Tim je mešao rešenja svakog sloja da bi stvorio specifičan kristalni aranžman. Ovaj raspored je svakom sloju dao specifičan, drugačiji indeks prelamanja, a zajedno su slojevi sprečili da svetlost koja putuje kroz vlakno ne pobegne ili se rasprši.
Tim je testirao optička vlakna kod miševa čiji su nervi bili genetski modifikovani da reaguju na plavo svetlo koje bi izazvalo nervnu aktivnost ili žuto svetlo koje bi inhibiralo njihovu aktivnost.
Otkrili su da čak i sa ugrađenim vlaknom na mestu, miševi mogu slobodno da trče na točku. Posle dva meseca vežbi na točkovima, koje su iznosile oko 30.000 ciklusa, istraživači su otkrili da je vlakno još uvek robusno i otporno na umor, a takođe može efikasno da prenosi svetlost da izazove kontrakciju mišića.
Tim je zatim uključio žuti laser i provukao ga kroz implantirano vlakno. Koristeći standardne laboratorijske procedure za procenu inhibicije bola, primetili su da su miševi mnogo manje osetljivi na bol od glodara koji nisu bili stimulisani svetlom. Vlakna su bila u stanju da značajno inhibiraju bol u išijasu kod miševa stimulisanih svetlošću.
Istraživači vide vlakna kao novi alat koji može pomoći naučnicima da identifikuju korene bola i drugih poremećaja perifernih nerava.
„Fokusiramo se na vlakno kao novu tehnologiju neuronauke“, kaže Liu. „Nadamo se da ćemo pomoći da seciramo mehanizme koji leže u osnovi bola u perifernom nervnom sistemu. Vremenom, naša tehnologija može pomoći u identifikaciji novih mehaničkih terapija za hronični bol i druga iscrpljujuća stanja kao što su degeneracija nerva ili povreda.“
