Istraživači su stvorili minijaturne uređaje bez baterija koji se mogu omotati oko određenih neuroloških dijelova, potencijalno pomažući u liječenju neuroloških poremećaja.
Ovi uređaji, izrađeni od polimera osjetljivog na svjetlost, koriste izlaganje svjetlosti da se namotaju i prilagode neuronskim strukturama kao što su aksoni i dendriti bez njihovog oštećenja.
Njihovo čvrsto pristajanje omogućuje precizno mjerenje i modulaciju neuronske aktivnosti, otvarajući mogućnosti za buduće primjene u dijagnostici i liječenju na staničnoj razini.
—————————————————-
Istraživači stvaraju nosive uređaje na razini stanice za vraćanje funkcije neurona
Istaknuta neuroznanost·3. studenog 2024
Sažetak: Istraživači su razvili sićušne, bežične uređaje koji se mogu omotati oko pojedinačnih neurona, potencijalno pomažući u liječenju neuroloških poremećaja poput multiple skleroze.
Ovi uređaji, izrađeni od mekog polimera, čvrsto se namotavaju oko staničnih struktura kada su izloženi svjetlu, omogućujući precizno mjerenje i modulaciju stanične aktivnosti. Budući da ne rade bez baterija i neinvazivno se aktiviraju svjetlom, tisuće ih se mogu istovremeno rasporediti u tijelu.
Ovaj revolucionarni pristup mogao bi obnoviti funkciju neurona djelujući kao sintetski mijelin za oštećene aksone. Buduće primjene mogu uključivati integrirajuće sklopove za praćenje i liječenje neurona. Istraživanje ukazuje na novi smjer u stvaranju minimalno invazivnih neuronskih sučelja.
Ključne činjenice:
Ovi mobilni uređaji koji se mogu nositi aktiviraju se svjetlom, što ih čini bez baterija.
Uređaji se omotaju oko neuronskih struktura, nudeći prednosti sintetičkog mijelina.
Potencijalne primjene uključuju obnovu neurona i neinvazivnu neuralnu modulaciju.
Izvor: MIT
Nosivi uređaji kao što su pametni satovi i uređaji za praćenje fitnessa u interakciji su s dijelovima našeg tijela radi mjerenja i učenja iz unutarnjih procesa, kao što su otkucaji srca ili faze spavanja.
Sada su istraživači MIT-a razvili nosive uređaje koji bi mogli obavljati slične funkcije za pojedinačne stanice unutar tijela.
Ovi uređaji subcelularne veličine bez baterija, izrađeni od mekanog polimera, dizajnirani su da nježno omotaju različite dijelove neurona, poput aksona i dendrita, bez oštećenja stanica, nakon bežičnog aktiviranja svjetlom.
Čvrsto obavijajući neuronske procese, mogli bi se koristiti za mjerenje ili modulaciju električne i metaboličke aktivnosti neurona na substaničnoj razini.
Budući da su ovi uređaji bežični i slobodno lebdeći, istraživači predviđaju da bi se tisuće sićušnih uređaja jednog dana moglo ubrizgati, a zatim pokrenuti neinvazivno pomoću svjetla.
Istraživači bi precizno kontrolirali kako se nosivi predmeti nježno omataju oko stanica, manipulirajući dozom svjetlosti izvan tijela, koja bi prodrla u tkivo i aktivirala uređaje.
Umotavanjem aksona koji prenose električne impulse između neurona i drugim dijelovima tijela, ova nosiva oprema mogla bi pomoći u obnavljanju neke degradacije neurona koja se javlja kod bolesti poput multiple skleroze. Dugoročno, uređaji bi se mogli integrirati s drugim materijalima kako bi se stvorili sićušni krugovi koji bi mogli mjeriti i modulirati pojedinačne ćelije.
"Koncept i tehnologija platforme koju ovdje predstavljamo poput su kamena temeljca koji donosi goleme mogućnosti za buduća istraživanja", kaže Deblina Sarkar, docentica za razvoj karijere AT&T u MIT Media Labu i Centru za neurobiološki inženjering, voditeljica Nano- Cybernetic Biotrek Lab, i stariji autor rada o ovoj tehnici.
Sarkaru se na radu pridružuje glavna autorica Marta J. I. Airaghi Leccardi, bivša postdoktorandica MIT-a koja je sada Novartisova stipendistica za inovacije; Benoît X. E. Desbiolles, postdoktorat s MIT-a; Anna Y. Haddad ’23, koja je tijekom rada bila dodiplomski istraživač na MIT-u; i diplomirani studenti MIT-a Baju C. Joy i Chen Song.
Istraživanje se danas pojavljuje u časopisu Nature Communications Chemistry.
Čvrsto omotane stanice
Moždane stanice imaju složene oblike, što izuzetno otežava stvaranje bioelektroničkog implantata koji se može čvrsto prilagoditi neuronima ili neuronskim procesima. Na primjer, aksoni su vitke strukture poput repa koje se pričvršćuju za tijelo stanice neurona, a njihova duljina i zakrivljenost jako variraju.
U isto vrijeme, aksoni i druge stanične komponente su krhke, tako da svaki uređaj koji se s njima povezuje mora biti dovoljno mekan da uspostavi dobar kontakt bez da ih ošteti.
Kako bi prevladali te izazove, istraživači s MIT-a razvili su uređaje s tankim filmom od mekog polimera nazvanog azobenzen, koji ne oštećuju stanice koje obavijaju.
Uslijed transformacije materijala, tanki listovi azobenzena će se kotrljati kada budu izloženi svjetlu, omogućujući im da omotaju stanice. Istraživači mogu precizno kontrolirati smjer i promjer kotrljanja mijenjanjem intenziteta i polarizacije svjetlosti, kao i oblika uređaja.
Tanki filmovi mogu oblikovati sićušne mikrotube promjera manjeg od mikrometra. To im omogućuje da se nježno, ali čvrsto, omotaju oko visoko zakrivljenih aksona i dendrita.
“Moguće je vrlo fino kontrolirati promjer valjanja. Možete prestati ako dosegnete određenu dimenziju koju želite tako da prilagodite svjetlosnu energiju u skladu s tim,” objašnjava Sarkar.
Istraživači su eksperimentirali s nekoliko tehnika izrade kako bi pronašli proces koji je skalabilan i koji ne bi zahtijevao upotrebu čiste sobe za poluvodiče.
Izrada mikroskopskih nosivih predmeta
Počinju taloženjem kapi azobenzena na žrtveni sloj sastavljen od materijala topljivog u vodi. Zatim istraživači utisnu pečat na kap polimera kako bi oblikovali tisuće sićušnih naprava na vrhu žrtvenog sloja. Tehnika žigosanja omogućuje im stvaranje složenih struktura, od pravokutnika do oblika cvijeta.
Korak pečenja osigurava da sva otapala ispare, a zatim koriste jetkanje za struganje materijala koji ostane između pojedinačnih uređaja. Na kraju, otapaju žrtveni sloj u vodi, ostavljajući tisuće mikroskopskih naprava da slobodno plutaju u tekućini.
Nakon što su pronašli rješenje sa slobodno plutajućim uređajima, bežično su aktivirali uređaje svjetlom kako bi ih potaknuli da se kotrljaju. Otkrili su da slobodno lebdeće strukture mogu zadržati svoj oblik danima nakon prestanka osvjetljenja.
Istraživači su proveli niz eksperimenata kako bi osigurali da je cijela metoda biokompatibilna.
Nakon što su usavršili korištenje svjetla za kontrolu kotrljanja, testirali su uređaje na neuronima štakora i otkrili da mogu čvrsto omotati čak i jako zakrivljene aksone i dendrite bez nanošenja štete.
“Da bi imali intimna sučelja s tim stanicama, uređaji moraju biti mekani i sposobni prilagoditi se ovim složenim strukturama. To je izazov koji smo riješili u ovom radu. Bili smo prvi koji su pokazali da se azobenzen čak može omotati oko živih stanica,” kaže ona.
Među najvećim izazovima s kojima su se suočili bio je razvoj skalabilnog procesa izrade koji bi se mogao izvesti izvan čiste sobe. Također su ponovili idealnu debljinu za uređaje, budući da njihova predebela uzrokuje pucanje kada se kotrljaju.
Budući da je azobenzen izolator, jedna izravna primjena je korištenje uređaja kao sintetskog mijelina za aksone koji su oštećeni. Mijelin je izolacijski sloj koji obavija aksone i omogućuje učinkovito putovanje električnih impulsa između neurona.
Kod nemijelinizirajućih bolesti kao što je multipla skleroza, neuroni gube dio izolacijskih mijelinskih slojeva. Ne postoji biološki način njihove regeneracije. Djelujući kao sintetski mijelin, nosivi uređaji mogu pomoći u obnavljanju funkcije neurona kod pacijenata s MS-om.
Istraživači su također pokazali kako se uređaji mogu kombinirati s optoelektričnim materijalima koji mogu stimulirati stanice.
Štoviše, atomski tanki materijali mogu se napraviti uzorkom na vrhu uređaja, koji se i dalje mogu kotrljati u mikrotube bez lomljenja. To otvara mogućnosti za integraciju senzora i sklopova u uređaje.
Osim toga, budući da ostvaruju tako čvrstu vezu sa stanicama, moglo bi se koristiti vrlo malo energije za stimulaciju subcelularnih regija. To bi moglo omogućiti istraživaču ili kliničaru da modulira električnu aktivnost neurona za liječenje bolesti mozga.
“Uzbudljivo je demonstrirati ovu simbiozu umjetnog uređaja sa ćelijom u rezoluciji bez presedana. Pokazali smo da je ova tehnologija moguća,” kaže Sarkar.
Osim istraživanja ovih primjena, istraživači žele pokušati funkcionalizirati površine uređaja s molekulama koje bi im omogućile ciljanje specifičnih tipova stanica ili podstaničnih regija.
“Ovaj rad je uzbudljiv korak prema novim simbiotičkim neuralnim sučeljima koja djeluju na razini pojedinačnih aksona i sinapsi.
“Kada se integriraju s nanorazmjernim 1- i 2D vodljivim nanomaterijalima, ovi azobenzenski listovi koji reagiraju na svjetlo mogli bi postati svestrana platforma za otkrivanje i isporuku različitih vrsta signala (tj. električnih, optičkih, toplinskih, itd.) neuronima i drugim vrstama stanica na minimalno ili neinvazivan način.
"Iako preliminarni, podaci o citokompatibilnosti navedeni u ovom radu također su vrlo obećavajući za buduću upotrebu in vivo", kaže Flavia Vitale, izvanredna profesorica neurologije, bioinženjeringa i fizikalne medicine i rehabilitacije na Sveučilištu Pennsylvania, koja nije bila uključena u ovo raditi.
Financiranje: Istraživanje su podržali Švicarska nacionalna znanstvena zaklada i Američki nacionalni institut za zdravlje, Inicijativa za mozak.
O ovim vijestima o neurotehnološkom istraživanju
Autor: Adam Zewe
Izvor: MIT
Kontakt: Adam Zewe – MIT
Slika: Slika je pripisana Pablu Pensu i Marti Airaghi
Izvorno istraživanje: otvoreni pristup.
“Svjetlom inducirano valjanje tankih filmova azobenzen polimera za omatanje subcelularnih neuronskih struktura” Deblina Sarkar et al. Nature Communications Chemistry
Sažetak
Svjetlosno inducirano valjanje tankih filmova azobenzen polimera za omatanje substaničnih neuronskih struktura
Neuroni su bitne stanice koje sačinjavaju naš živčani sustav i upravljaju našim tijelom, mislima i emocijama. Nedavno su istraživački napori usmjereni na proučavanje ne samo njihove zajedničke strukture i funkcija, već i svojstava jedne stanice kao pojedinačnog složenog sustava.
Nanotehnologija ima potencijal razotkriti misterije u neuroznanosti i pružiti podršku neuronu mjerenjem i utjecajem na nekoliko aspekata stanice.
Kako nosivi uređaji stupaju u interakciju s različitim dijelovima našeg tijela, mogli bismo zamisliti tisuću puta manje sučelje koje će se prilagoditi na i oko substaničnih regija neurona za neviđeni kontakt, ispitivanje i kontrolu.
Međutim, veliki je izazov razviti sučelje koje se može pretvoriti u ekstremne zakrivljenosti subcelularnih struktura.
Ovdje se bavimo ovim izazovom razvojem platforme koja se prilagođava čak i malim neuronskim procesima.
Kako bismo to postigli, proizveli smo bežičnu platformu izrađenu od azobenzen polimera koji se podvrgava savijanju izazvanom svjetlom na zahtjev s polumjerom zakrivljenosti ispod mikrometra.
Pokazujemo da se te platforme mogu proizvesti s podesivim faktorom oblika, mikro-injektirati na neuronske kulture i mogu delikatno zamotati različite morfologije neuronskih procesa in vitro, prema dobivanju besprijekornih biosučelja s povećanom spregom sa staničnom membranom. Naša in vitro testiranja nisu pokazala nikakve štetne učinke platformi u kontaktu s neuronima.
Dodatno, za buduću funkcionalnost, nanočestice ili optoelektronički materijali mogu se pomiješati s azobenzen polimerom, a 2D materijali na površini platforme mogu se sigurno saviti do visokih zakrivljenosti bez mehaničkog kvara, prema našim izračunima.
U konačnici, ova bi tehnologija mogla postaviti temelje za buduću integraciju bežično pokretanih materijala unutar ili na svojoj platformi za neuromodulaciju, snimanje i neurozaštitu na substaničnoj razini.
Preuzeto sa: https://www.facebook.com/groups/276128313060744
