Исследователи разработали крошечные устройства, способные охватывать отдельные нейроны и потенциально применяемые в лечении неврологических заболеваний, таких как рассеянный склероз. Эти устройства, изготовленные из мягкого полимера, плотно сворачиваются вокруг клеточных структур под воздействием света, позволяя точно измерять и модулировать клеточную активность. Поскольку они не содержат батарей и активируются с помощью света, тысячи из них могут быть задействованы в организме одновременно.
Миниатюрные беспроводные устройства для лечения неврологических расстройств
Этот новаторский подход может восстановить функцию нейронов, действуя как синтетический миелин для поврежденных аксонов. Будущие приложения могут включать интегральные схемы для мониторинга и лечения нейронов. Исследование указывает на новое направление в создании минимально инвазивных нейронных интерфейсов.
Носимые устройства для мониторинга и лечения
Носимые устройства, такие как умные часы и фитнес-трекеры, взаимодействуют с частями нашего тела, измеряя и изучая внутренние процессы, такие как частота сердечных сокращений или стадии сна.
Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) разработали носимые устройства, которые могут выполнять аналогичные функции для отдельных клеток внутри тела. Эти безбатарейные устройства субклеточного размера, изготовленные из мягкого полимера, предназначены для мягкого обертывания вокруг различных частей нейронов, таких как аксоны и дендриты, без повреждения клеток, при беспроводном воздействии света.
Плотное обертывание нейронов
Плотно охватывая нейрональные отростки, их можно использовать для измерения или модуляции электрической и метаболической активности нейрона на субклеточном уровне. Поскольку эти устройства являются беспроводными и свободно перемещающимися, исследователи предполагают, что тысячи крошечных устройств когда-нибудь можно будет вводить, а затем приводить в действие неинвазивно с помощью света.
Управление устройствами
Исследователи будут точно контролировать, как носимые устройства мягко обволакивают клетки, управляя дозой света, исходящего извне тела, который проникнет в ткани и приведет в действие устройства. Охватывая аксоны, которые передают электрические импульсы между нейронами и в другие части тела, эти носимые устройства могут помочь восстановить некоторую деградацию нейронов, которая возникает при таких заболеваниях, как рассеянный склероз. В долгосрочной перспективе устройства можно будет интегрировать с другими материалами для создания крошечных схем, которые смогут измерять и модулировать отдельные клетки.
Платформа для будущих исследований
«Концепция и платформенная технология, которые мы представляем здесь, подобны краеугольному камню, открывающему огромные возможности для будущих исследований», — говорит Деблина Саркар, старший автор статьи по этой методике.
Исследование опубликовано сегодня в журнале Nature Communications Chemistry.
Преодоление сложностей
Клетки головного мозга имеют сложную форму, что чрезвычайно затрудняет создание биоэлектронного имплантата, который мог бы плотно прилегать к нейронам или нейрональным отросткам. В то же время аксоны и другие клеточные компоненты хрупкие, поэтому любое устройство, взаимодействующее с ними, должно быть достаточно мягким, чтобы обеспечить хороший контакт, не причиняя им вреда.
Тонкопленочные устройства
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи Массачусетского технологического института разработали тонкопленочные устройства из мягкого полимера под названием азобензол, которые не повреждают клетки, которые они окружают. Из-за трансформации материала тонкие листы азобензола скатываются под воздействием света, позволяя им обволакивать клетки. Исследователи могут точно контролировать направление и диаметр прокатки, изменяя интенсивность и поляризацию света, а также форму устройств.
Создание микроскопических носимых устройств
Они начинают с нанесения капли азобензола на жертвенный слой, состоящий из водорастворимого материала. Затем исследователи прижимают штамп к капле полимера, чтобы сформировать тысячи крошечных устройств поверх жертвенного слоя. Техника стемпинга позволяет создавать сложные конструкции: от прямоугольников до цветочных форм. На этапе запекания все растворители испаряются, а затем с помощью травления удаляется любой материал, оставшийся между отдельными устройствами. Наконец, они растворяют жертвенный слой в воде, оставляя тысячи микроскопических устройств свободно плавать в жидкости.
Активация и биосовместимость
Как только у них появилось решение со свободно плавающими устройствами, они активировали устройства с помощью света по беспроводной сети, чтобы заставить устройства катиться. Они обнаружили, что свободно плавающие конструкции могут сохранять свою форму в течение нескольких дней после прекращения освещения. Исследователи провели серию экспериментов, чтобы убедиться в биосовместимости всего метода.
Тестирование на нейронах крыс
Доведя до совершенства использование света для управления перекатыванием, они протестировали устройства на нейронах крыс и обнаружили, что они могут плотно обхватывать даже сильно изогнутые аксоны и дендриты, не вызывая повреждений.
Масштабируемое производство
Среди самых больших проблем, с которыми они столкнулись, была разработка масштабируемого производственного процесса, который можно было бы выполнять за пределами чистого помещения. Они также выбрали идеальную толщину устройств, поскольку если сделать их слишком толстыми, это приведет к растрескиванию при катании.
Применение в медицине
Поскольку азобензол является изолятором, одно из прямых применений заключается в использовании устройств в качестве синтетического миелина для поврежденных аксонов. Миелин — это изолирующий слой, который окутывает аксоны и позволяет электрическим импульсам эффективно перемещаться между нейронами. При немиелинизирующих заболеваниях, таких как рассеянный склероз, нейроны теряют некоторые изолирующие листки миелина. Действуя как синтетический миелин, носимые устройства могут помочь восстановить функцию нейронов у пациентов с рассеянным склерозом.
Заключение
Исследователи продемонстрировали, как устройства можно комбинировать с оптоэлектрическими материалами, которые могут стимулировать клетки. Более того, поверх устройств можно нанести узоры из атомарно тонких материалов, которые при этом смогут катиться, образуя микротрубки, не ломаясь. Это открывает возможности для интеграции датчиков и схем в устройства.
Будущие перспективы
Поскольку они так тесно связаны с клетками, для стимуляции субклеточных областей можно использовать очень мало энергии. Это может позволить исследователю или клиницисту модулировать электрическую активность нейронов для лечения заболеваний головного мозга.
«Интересно продемонстрировать этот симбиоз искусственного устройства и клетки с беспрецедентным разрешением. Мы показали, что эта технология возможна», — говорит Саркар.
Заключение
Исследователи хотят попробовать функционализировать поверхности устройств молекулами, которые позволят им воздействовать на определенные типы клеток или субклеточные области. «Эта работа является захватывающим шагом на пути к новым симбиотическим нейронным интерфейсам, действующим на уровне отдельных аксонов и синапсов. При интеграции с наноразмерными 1- и 2D-проводящими наноматериалами эти светочувствительные листы азобензола могут стать универсальной платформой для восприятия и доставки различных типов сигналов (то есть электрических, оптических, тепловых и т. д.) к нейронам и другим типам клеток минимально или неинвазивно. Хотя данные о цитосовместимости, представленные в этой работе, являются предварительными, они также очень многообещающи для будущего использования in vivo», — говорит Флавия Витале, доцент кафедры неврологии, биоинженерии, физической медицины и реабилитации в Университете Пенсильвании, которая не участвовала в этом исследовании.
Литература.
“Light-induced rolling of azobenzene polymer thin films for wrapping subcellular neuronal structures” by Deblina Sarkar et al. Nature Communications Chemistry
