Nanodiscurile magnetice pot fi activate de un câmp magnetic extern, oferind un instrument de cercetare pentru studierea răspunsurilor neuronale

Pe lângă faptul că răspund la stimulii electrici și chimici, multe dintre celulele neuronale ale corpului pot răspunde și efectelor mecanice, precum presiunea sau vibrațiile. Dar aceste răspunsuri au fost mai dificil de studiat pentru cercetători, deoarece nu a existat nicio metodă ușor de controlat pentru a induce o astfel de stimulare mecanică a celulelor. Acum, cercetătorii de la MIT și din alte părți au găsit o nouă metodă pentru a face exact acest lucru.

mecanică

Descoperirea ar putea oferi un pas către noi tipuri de tratamente terapeutice, similar cu neurostimularea bazată electric, care a fost utilizată pentru tratarea bolii Parkinson și a altor afecțiuni. Spre deosebire de acele sisteme, care necesită o conexiune externă prin cablu, noul sistem ar fi complet fără contact după o injecție inițială de particule și ar putea fi reactivat după bunul plac printr-un câmp magnetic aplicat extern.

Descoperirea este raportată în jurnalul ACS Nano, într-o lucrare a fostului postdoc MIT Danijela Gregurec, Alexander Senko dr. '19, profesor asociat Polina Anikeeva și alți nouă la MIT, la Boston's Brigham and Women's Hospital și în Spania.

Noua metodă deschide o nouă cale pentru stimularea celulelor nervoase din corp, care până acum s-a bazat aproape în totalitate fie pe căi chimice, prin utilizarea produselor farmaceutice, fie pe căi electrice, care necesită fire invazive pentru a furniza tensiune în corp. . Această stimulare mecanică, care activează căi de semnalizare complet diferite în neuroni, ar putea oferi o zonă semnificativă de studiu, spun cercetătorii.

„Un lucru interesant despre sistemul nervos este că neuronii pot detecta efectiv forțe”, spune Senko. „Așa funcționează simțul tactil și, de asemenea, simțul auzului și echilibrului.” Echipa a vizat un anumit grup de neuroni dintr-o structură cunoscută sub numele de ganglionul rădăcinii dorsale, care formează o interfață între sistemul nervos central și periferic, deoarece aceste celule sunt deosebit de sensibile la forțele mecanice.

Aplicațiile tehnicii ar putea fi similare cu cele dezvoltate în domeniul medicamentelor bioelectronice, spune Senko, dar acestea necesită electrozi care sunt de obicei mult mai mari și mai rigizi decât neuronii care sunt stimulați, limitându-le precizia și uneori deteriorând celulele.

Cheia noului proces a fost dezvoltarea de discuri minuscule cu o proprietate magnetică neobișnuită, care le poate determina să înceapă să fluture atunci când sunt supuse unui anumit tip de câmp magnetic variabil. Deși particulele în sine au doar aproximativ 100 de nanometri lățime, aproximativ o sutime din dimensiunea neuronilor pe care încearcă să le stimuleze, ele pot fi produse și injectate în cantități mari, astfel încât efectul lor colectiv este suficient de puternic pentru a activa presiunea celulei. receptori. „Am realizat nanoparticule care produc de fapt forțe pe care celulele le pot detecta și răspunde”, spune Senko.

Anikeeva spune că nanoparticulele magnetice convenționale ar fi necesitat activarea câmpurilor magnetice impracticabile, astfel încât găsirea materialelor care ar putea oferi o forță suficientă doar cu o activare magnetică moderată a fost „o problemă foarte grea”. Soluția s-a dovedit a fi un nou tip de nanodiscuri magnetice.

Aceste discuri, care au sute de nanometri în diametru, conțin o configurație vortex de rotiri atomice atunci când nu există câmpuri magnetice externe aplicate. Acest lucru face ca particulele să se comporte ca și cum nu ar fi deloc magnetice, făcându-le excepțional de stabile în soluții. Când aceste discuri sunt supuse unui câmp magnetic variabil foarte slab de câteva militesla, cu o frecvență scăzută de doar câțiva hertz, acestea trec la o stare în care rotirile interne sunt toate aliniate în planul discului. Acest lucru permite acestor nanodiscuri să acționeze ca pârghii - mișcându-se în sus și în jos cu direcția câmpului.

Anikeeva, care este profesor asociat în departamentele de Știința și Ingineria Materialelor și a Creierului și Științelor Cognitive, spune că această lucrare combină mai multe discipline, inclusiv chimie nouă care a condus la dezvoltarea acestor nanodiscuri, împreună cu efecte electromagnetice și lucrează la biologia neurostimulare.

Echipa a luat în considerare mai întâi utilizarea particulelor dintr-un aliaj magnetic metalic care ar putea furniza forțele necesare, dar acestea nu erau materiale biocompatibile și erau prohibitiv de costisitoare. Cercetătorii au găsit o modalitate de a folosi particule fabricate din hematit, un oxid benign de fier, care poate forma formele de disc necesare. Hematitul a fost apoi transformat în magnetit, care are proprietățile magnetice de care aveau nevoie și se știe că este benign în corp. Această transformare chimică de la hematit la magnetit transformă dramatic un tub roșu de sânge de particule în negru jet.

„A trebuit să confirmăm că aceste particule au susținut într-adevăr această stare de spin cu adevărat neobișnuită, acest vârtej”, spune Gregurec. Au încercat mai întâi nanoparticulele nou dezvoltate și au demonstrat, folosind sisteme de imagistică holografice furnizate de colegii din Spania, că particulele au reacționat într-adevăr așa cum era de așteptat, oferind forțele necesare pentru a obține răspunsuri de la neuroni. Rezultatele au venit la sfârșitul lunii decembrie și „toată lumea a crezut că acesta este un cadou de Crăciun”, își amintește Anikeeva, „când am primit primele noastre holograme și am putut vedea cu adevărat că ceea ce am prezis teoretic și suspectat chimic este de fapt fizic adevărat”

Lucrarea este încă la început, spune ea. Aceasta este o prima demonstratie ca este posibil sa se utilizeze aceste particule pentru a transduce forte mari la membrane de neuroni, in scopul de a le stimula.

Ea adaugă „care deschide un întreg câmp de posibilități. Acest lucru înseamnă că oriunde în sistemul nervos unde celulele sunt sensibile la forțele mecanice și care este în esență orice organ, putem modula acum funcția acelui organ”. Aceasta aduce știința cu un pas mai aproape, spune ea, de obiectivul medicinei bioelectronice care poate oferi stimulare la nivelul organelor individuale sau a părților corpului, fără a fi nevoie de medicamente sau electrozi.