Magnetische nanoschijven zorgen voor hersenstimulatie zonder implantaten

samenvatting: Wetenschappers hebben magnetische nanoschijven ontwikkeld die gerichte hersenstimulatie mogelijk maken zonder de noodzaak van invasieve implantaten of genetische modificaties. De kleine schijven, geactiveerd door een extern magnetisch veld, leveren elektrische impulsen aan zenuwcellen, wat potentieel toont voor de behandeling van neurologische aandoeningen.

Uit eerste tests bij muizen bleek dat deze nanoschijven effectief hersengebieden stimuleerden die verband houden met beloning en motorische controle, met minder reacties op vreemde voorwerpen dan traditionele implantaten. De studie vertegenwoordigt een stap in de richting van nieuwe, minder invasieve behandelingen voor hersenaandoeningen.

Toekomstige verbeteringen zijn gericht op het verbeteren van de elektrische pulsuitgang van de schijven voor een grotere effectiviteit. Met verder onderzoek kunnen deze nanoschijven waardevolle hulpmiddelen worden in neurologisch onderzoek en behandelingen.

Belangrijkste feiten:

• Nanodiscs zorgen voor elektrische stimulatie wanneer ze worden geactiveerd door een externe magneet.
• Tests uitgevoerd op muizen toonden een effectieve stimulatie aan van hersengebieden die verband houden met beloning en motorische functies.
• Toekomstig onderzoek zal zich richten op het versterken van de elektrische output van nanoschijven voor klinisch gebruik.

bron: Massachusetts Instituut voor Technologie

Nieuwe magnetische nanoschijven zouden een veel minder invasieve manier kunnen bieden om delen van de hersenen te stimuleren, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor stimulatiebehandelingen zonder implantaten of genetische modificatie, rapporteren onderzoekers van MIT.

Wetenschappers voorzien dat de kleine schijfjes, ongeveer 250 nanometer breed (ongeveer 1/500 van de breedte van een mensenhaar), rechtstreeks op de gewenste locatie in de hersenen zullen worden geïnjecteerd. Van daaruit kunnen ze op elk moment worden geactiveerd door simpelweg een magnetisch veld buiten het lichaam aan te leggen.

De nieuwe deeltjes zouden snel toepassingen kunnen vinden in biomedisch onderzoek en uiteindelijk, na voldoende testen, kunnen worden toegepast op klinische toepassingen.

De ontwikkeling van deze nanodeeltjes wordt beschreven in het tijdschrift Natuur nanotechnologiein een paper van Polina Anikieva, een professor aan de MIT-afdelingen Materials Science and Engineering en Brain and Cognitive Sciences, afgestudeerde student Yi Ji Kim, en 17 anderen aan het MIT en in Duitsland.

Diepe hersenstimulatie (DBS) is een veel voorkomende klinische procedure waarbij elektroden worden geïmplanteerd in gerichte hersengebieden om symptomen van neuropsychiatrische aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson en obsessief-compulsieve stoornis te behandelen.

Ondanks de effectiviteit ervan beperken de chirurgische problemen en klinische complicaties die met DBS gepaard gaan het aantal gevallen waarin een dergelijke invasieve procedure gerechtvaardigd is. Nieuwe nanoschijven zouden een soepelere manier kunnen bieden om dezelfde resultaten te bereiken.

De afgelopen tien jaar zijn er andere implantaatvrije methoden ontwikkeld om hersenstimulatie te bewerkstelligen. Deze methoden werden echter vaak beperkt door hun ruimtelijke resolutie of het vermogen om zich op diepe gebieden te richten.

De afgelopen tien jaar hebben Anikeeva’s Bioelectronics-groep, evenals anderen in het veld, magnetische materialen op nanoschaal gebruikt om magnetische signalen op afstand om te zetten in hersenstimulatie. Deze magnetische methoden zijn echter afhankelijk van genetische modificaties en kunnen niet bij mensen worden gebruikt.

Omdat alle neuronen gevoelig zijn voor elektrische signalen, veronderstelde Kim, een afgestudeerde student in de groep van Anikieva, dat een elektromagnetisch nanomateriaal dat magnetisatie efficiënt in elektrische potentiëlen zou kunnen omzetten, een pad zou kunnen bieden naar magnetische hersenstimulatie op afstand. Het creëren van elektromagnetisch materiaal op nanoschaal was echter een enorme uitdaging.

Kim assembleerde nieuwe elektromagnetische nanoschijven en werkte samen met Noah Kent, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Anikeeva met een achtergrond in de natuurkunde en de tweede auteur van het onderzoek, om de eigenschappen van deze deeltjes te begrijpen.

De structuur van de nieuwe nanoschijven bestaat uit een tweelaagse magnetische kern en een piëzo-elektrische schil. Een magnetische kern is magnetotroop, wat betekent dat hij van vorm verandert wanneer hij wordt gemagnetiseerd.

Deze vervorming veroorzaakt vervolgens spanning in de piëzo-elektrische schaal, waardoor variërende elektrische polarisatie ontstaat. Door de twee effecten te combineren, kunnen deze samengestelde deeltjes elektrische impulsen aan neuronen afgeven wanneer ze worden blootgesteld aan magnetische velden.

Een van de sleutels tot de effectiviteit van tablets is de vorm van de tablet. Bij eerdere pogingen tot magnetische nanodeeltjes werden bolvormige deeltjes gebruikt, maar het elektromagnetische effect was erg zwak, zegt Kim. Kent voegt eraan toe dat dit contrast de magnetische contractie met meer dan 1000 keer versterkt.

Het team voegde eerst hun nanoschijven toe aan de gekweekte neuronen, waardoor deze cellen vervolgens op verzoek konden worden geactiveerd met behulp van korte pulsen van een magnetisch veld. Voor deze stimulatie was geen genetische modificatie nodig.

Vervolgens injecteerden ze kleine druppels van de elektromagnetische nanoschijfoplossing in specifieke delen van de hersenen van de muis. Het simpelweg aanzetten van een relatief zwakke elektromagneet in de buurt zorgt er dus voor dat de deeltjes een kleine schok van elektriciteit in dat deel van de hersenen afgeven.

Stimulatie kan op afstand worden in- en uitgeschakeld door de elektromagneet te schakelen. Deze elektrische stimulatie “had een effect op de neuronale activiteit en het gedrag”, zegt Kim.

Het team ontdekte dat elektromagnetische nanoschijven een gebied diep in de hersenen kunnen stimuleren, het ventrale tegmentale gebied, dat geassocieerd wordt met gevoelens van beloning.

Het team stimuleerde ook een ander deel van de hersenen, de subthalamische kern, dat geassocieerd wordt met motorische controle.

“Dit is het gebied waar normaal gesproken elektroden worden geïmplanteerd om de ziekte van Parkinson te behandelen”, legt Kim uit.

De onderzoekers konden met succes de wijziging van de motorische controle via deeltjes aantonen. Door nanoschijven in slechts één halfrond te injecteren, konden de onderzoekers rotatie induceren bij gezonde muizen door een magnetisch veld aan te leggen.

De nanoschijven kunnen neurale activiteit teweegbrengen die vergelijkbaar is met traditionele geïmplanteerde elektroden die voor milde elektrische stimulatie zorgen. De onderzoekers bereikten met hun methode een temporele resolutie van neurale stimulatie in minder dan een seconde, maar observeerden aanzienlijk verminderde reacties op vreemde voorwerpen in vergelijking met elektroden, wat een veiligere diepe hersenstimulatie mogelijk zou kunnen maken.

De meerlaagse chemische samenstelling, vorm en fysieke grootte van de nieuwe meerlaagse nanoschijven hebben microkatalyse mogelijk gemaakt.

Hoewel de onderzoekers erin zijn geslaagd het magnetische terugtrekkingseffect te vergroten, vergt het tweede deel van het proces, het omzetten van het magnetische effect in een elektrische output, nog meer werk, zegt Anikieva.

Terwijl de magnetische respons duizend keer groter was, was de omzetting in een elektrische puls slechts vier keer groter dan bij conventionele bolvormige deeltjes.

“Deze enorme duizendvoudige verbetering is nog niet volledig vertaald in elektromagnetische verbetering”, zegt Kim.

“Dit is waar veel toekomstig werk zich op zal concentreren, om ervoor te zorgen dat een duizendvoudige versterking bij magnetische vernauwing kan worden omgezet in een duizendvoudige versterking bij elektromagnetische koppeling.”

Wat het team ontdekte, met betrekking tot de manier waarop deeltjesvormen hun magnetische samentrekking beïnvloeden, was volkomen onverwacht.

“Het is iets nieuws dat net naar voren kwam toen we probeerden te achterhalen waarom deze deeltjes zo goed werken”, zegt Kent.

“Ja, het is een recorddeeltje, maar het is niet zo recordbrekend als het zou moeten zijn”, voegt Anikieva toe. Dit blijft een onderwerp voor verder werk, maar het team heeft ideeën over hoe verdere vooruitgang kan worden geboekt.

Hoewel het in principe mogelijk is om deze nanoschijven al toe te passen op fundamenteel onderzoek met behulp van diermodellen, zal de vertaling ervan naar klinisch gebruik bij mensen nog een aantal verdere stappen vereisen, waaronder grootschalige veiligheidsstudies, “iets waar academische onderzoekers niet noodzakelijkerwijs de expertise voor hebben. .” “Goede situatie.” “Ik moet wel”, zegt Anikieva.

“Als we ontdekken dat deze deeltjes echt nuttig zijn in een bepaalde klinische context, kunnen we ons voorstellen dat er een pad zal zijn waarop ze rigoureuzere veiligheidsstudies bij grote dieren kunnen ondergaan.”

Het team bestond uit onderzoekers verbonden aan de MIT-afdelingen Materials Science and Engineering, Electrical Engineering en Computer Science, Chemistry en Brain and Cognitive Sciences; Elektronicaonderzoekslaboratorium. McGovern Hersenonderzoeksinstituut; het Koch Instituut voor Integratief Kankeronderzoek; Van de Friedrich Alexander Universiteit in Erlangen, Duitsland.

Financiering: Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door de National Institutes of Health, het National Center for Complementary and Integrative Health, het National Institute of Neurological Disorders and Stroke, het McGovern Institute for Brain Research en het K. Lisa Yang en Hawke E. Tan Centrum voor Moleculaire Therapeutiek in Neurowetenschappen.

Over onderzoeksnieuws op het gebied van neurotechnologie

auteur: David L. Chandler
bron: Massachusetts Instituut voor Technologie
mededeling: David L. Chandler – Massachusetts Institute of Technology
afbeelding: Afbeelding toegeschreven aan Neuroscience News

Originele zoekopdracht: Open toegang.
“Elektromagnetische nanoschijven maken genvrije draadloze neuromodulatie mogelijkGeschreven door Polina Anikieva et al. Natuur nanotechnologie

een samenvatting

Elektromagnetische nanoschijven maken genvrije draadloze neuromodulatie mogelijk

Diepe hersenstimulatie met behulp van geïmplanteerde elektroden heeft neurowetenschappelijk onderzoek en de behandeling van neuropsychiatrische aandoeningen getransformeerd. Het ontdekken van minder invasieve alternatieven voor diepe hersenstimulatie zou de klinische en onderzoekstoepassingen ervan kunnen uitbreiden. De omzetting van door nanomateriaal gemedieerde magnetische velden in elektrische potentiëlen is onderzocht als een middel voor neuromodulatie op afstand.

Hier synthetiseren we elektromagnetische nanoschijven (MEND’s) met behulp van Fe met dubbele schaal₃Hoi₄-koffie₂Hoi₄-Patio₃ Structuur (diameter 250 nm en dikte 50 nm) met efficiënte elektromagnetische koppeling.

We vinden sterke reacties op magnetische veldstimulatie in neuronen versierd met MEND’s met een dichtheid van 1 μg mm^-2 Hoewel de potentiëlen van afzonderlijke deeltjes onder de drempel van neurale excitatie liggen. We stellen een model voor van terugkerende depolarisatie onder de drempel, dat, samen met de kabeltheorie, onze observaties in vitro ondersteunt en in vivo elektromagnetische stimulatie informeert.

Het wordt geïnjecteerd in het ventrale tegmentale gebied of de subthalamische kern van genetisch normale muizen in concentraties van 1 mg.^-1MEND’s maken respectievelijk controle op afstand van beloning of motorisch gedrag mogelijk.

Deze bevindingen maken de weg vrij voor het verbeteren van de mechanica van elektromagnetische neuromodulatie in de richting van toepassingen in neurowetenschappelijk onderzoek.