Magneto-elektrische nanoschijven bieden hersenstimulatie op afstand zonder implantaten of genetische modificatie

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

De wetenschappers stellen zich voor dat de kleine schijfjes, die ongeveer 250 nanometer breed zijn (ongeveer 1/500 van de breedte van een mensenhaar), rechtstreeks op de gewenste locatie in de hersenen zouden 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 voor klinische toepassingen.

De ontwikkeling van deze nanodeeltjes wordt beschreven in het tijdschrift Natuur Nanotechnologiein een paper van Polina Anikeeva, een professor aan de afdelingen Materials Science and Engineering en Brain and Cognitive Sciences van MIT, afgestudeerde student Ye 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 de doelhersengebieden om symptomen van neurologische en psychiatrische aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson en obsessief-compulsieve stoornis te behandelen.

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

De afgelopen tien jaar zijn er andere implantaatvrije methoden ontwikkeld om hersenstimulatie te produceren. Deze benaderingen 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 en anderen in het veld magnetische nanomaterialen gebruikt om magnetische signalen op afstand om te zetten in hersenstimulatie. Deze magnetische methoden waren echter afhankelijk van genetische modificaties en kunnen niet bij mensen worden gebruikt.

Omdat alle zenuwcellen gevoelig zijn voor elektrische signalen, veronderstelde Kim, een afgestudeerde student in de groep van Anikeeva, dat een magneto-elektrisch nanomateriaal dat magnetisatie efficiënt in elektrisch potentieel kan omzetten een weg zou kunnen bieden naar magnetische hersenstimulatie op afstand. Het creëren van een magneto-elektrisch materiaal op nanoschaal was echter een enorme uitdaging.

Kim synthetiseerde nieuwe magneto-elektrische nanoschijven en werkte samen met Noah Kent, een postdoc in het laboratorium van Anikeeva met een achtergrond in de natuurkunde en een 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. De magnetische kern is magnetostrictief, wat betekent dat hij van vorm verandert wanneer hij wordt gemagnetiseerd. Deze vervorming veroorzaakt vervolgens spanning in de piëzo-elektrische schaal, waardoor een variërende elektrische polarisatie ontstaat.

Door de combinatie van de twee effecten kunnen deze composietdeeltjes elektrische pulsen afgeven aan neuronen wanneer ze worden blootgesteld aan magnetische velden.

Een sleutel tot de effectiviteit van de schijven is hun schijfvorm. Bij eerdere pogingen om magnetische nanodeeltjes te gebruiken waren bolvormige deeltjes gebruikt, maar het magneto-elektrische effect was erg zwak, zegt Kim. Deze anisotropie verbetert de magnetostrictie met meer dan 1000 keer, voegt Kent toe.

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

Vervolgens injecteerden ze kleine druppeltjes magneto-elektrische nanoschijfoplossing in specifieke delen van de hersenen van muizen. Vervolgens zorgde het simpelweg inschakelen van een relatief zwakke elektromagneet in de buurt ervoor dat de deeltjes een klein schokje elektriciteit in dat hersengebied vrijgaven. De stimulatie kan op afstand worden in- en uitgeschakeld door het schakelen van de elektromagneet. Die elektrische stimulatie “had een impact op de neuronactiviteit en op het gedrag”, zegt Kim.

Het team ontdekte dat de magneto-elektrische nanoschijven een diep hersengebied, het ventrale tegmentale gebied, konden stimuleren dat geassocieerd wordt met gevoelens van beloning.

Het team stimuleerde ook een ander hersengebied, de subthalamische kern, dat verband houdt met motorische controle. “Dit is het gebied waar elektroden doorgaans worden geïmplanteerd om de ziekte van Parkinson te behandelen”, legt Kim uit. De onderzoekers konden met succes de modulatie van de motorische controle via de deeltjes aantonen. Door nanoschijven slechts op één halfrond te injecteren, konden de onderzoekers rotaties veroorzaken bij gezonde muizen door een magnetisch veld aan te leggen.

De nanoschijven zouden neuronale activiteit kunnen teweegbrengen die vergelijkbaar is met conventionele geïmplanteerde elektroden die milde elektrische stimulatie afgeven. De auteurs bereikten met hun methode een temporele precisie van minder dan een seconde voor neurale stimulatie, maar constateerden een aanzienlijk verminderde respons op vreemd lichaam in vergelijking met de elektroden, wat mogelijk een nog veiligere diepe hersenstimulatie mogelijk maakte.

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

Terwijl de onderzoekers het magnetostrictieve effect met succes hebben vergroot, vergt het tweede deel van het proces, het omzetten van het magnetische effect in een elektrische output, nog steeds meer werk, zegt Anikeeva. Terwijl de magnetische respons duizend keer groter was, was de omzetting in een elektrische impuls slechts vier keer groter dan bij conventionele bolvormige deeltjes.

“Deze enorme verbetering van duizend keer vertaalde zich niet volledig in de magneto-elektrische verbetering”, zegt Kim. “Dat is waar veel van het toekomstige werk op gericht zal zijn, om ervoor te zorgen dat de duizendvoudige versterking in magnetostrictie kan worden omgezet in duizendvoudige versterking in de magneto-elektrische koppeling.”

Wat het team ontdekte, in termen van de manier waarop de vormen van de deeltjes hun magnetostrictie beïnvloeden, was nogal onverwacht. “Het is iets nieuws dat net verscheen toen we probeerden te achterhalen waarom deze deeltjes zo goed werkten”, zegt Kent.

Anikeeva voegt eraan toe: “Ja, het is een recordbrekend deeltje, maar het is niet zo recordbrekend als het zou kunnen zijn.” Dat blijft een onderwerp voor verder werk, maar het team heeft ideeën over hoe verdere vooruitgang kan worden geboekt.

Hoewel deze nanoschijven in principe al zouden kunnen worden toegepast op fundamenteel onderzoek met behulp van diermodellen, zouden er nog een aantal stappen nodig zijn om ze te vertalen naar klinisch gebruik bij mensen, waaronder grootschalige veiligheidsstudies. te doen”, zegt Anikeeva.

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