Nanodeeltjes creëren warmte uit licht om elektrische activiteit in neuronen te manipuleren

Nanomaterialen zijn gebruikt in een verscheidenheid aan opkomende toepassingen, zoals in gerichte farmaceutische producten of om andere materialen en producten te versterken, zoals sensoren en apparaten voor het oogsten en opslaan van energie. Een team van de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis gebruikt nanodeeltjes als verwarmers om de elektrische activiteit van neuronen in de hersenen en van hartspiercellen in het hart te manipuleren.

De bevindingen, gepubliceerd op 3 juli 2021, in Geavanceerde materialen, hebben het potentieel om te worden vertaald naar andere soorten prikkelbare cellen en dienen als een waardevol hulpmiddel in nano-neuro-engineering.

Srikanth Singamaneni, een materiaalwetenschapper, en Barani Raman, een biomedisch ingenieur, en hun teams werkten samen om een ​​niet-invasieve technologie te ontwikkelen die de elektrische activiteit van neuronen remt met behulp van polydopamine (PDA) nanodeeltjes en nabij-infrarood licht. De negatief geladen PDA-nanodeeltjes, die selectief binden aan neuronen, absorberen nabij-infrarood licht dat warmte creëert, die vervolgens wordt overgedragen aan de neuronen, waardoor hun elektrische activiteit wordt geremd.

“We hebben laten zien dat we de activiteit van deze neuronen kunnen remmen en hun vuren kunnen stoppen, niet alleen aan en uit, maar op een graduele manier”, zegt Singamaneni, de Lilyan & E. Lisle Hughes-hoogleraar in de afdeling Werktuigbouwkunde en Materiaalwetenschappen. “Door de lichtintensiteit te regelen, kunnen we de elektrische activiteit van de neuronen beheersen. Als we het licht eenmaal hebben gestopt, kunnen we ze weer volledig terugbrengen zonder enige schade.”

Naast hun vermogen om licht efficiënt om te zetten in warmte, zijn de PDA-nanodeeltjes zeer biocompatibel en biologisch afbreekbaar. De nanodeeltjes worden uiteindelijk afgebroken, waardoor ze in de toekomst een handig hulpmiddel zijn voor gebruik in in vitro en in vivo experimenten.

Raman, hoogleraar biomedische technologie, vergelijkt het proces met het toevoegen van room aan een kopje koffie.

“Als je room in hete koffie giet, lost het op en wordt het koffieroom door het diffusieproces,” legde hij uit. “Het is vergelijkbaar met het proces dat bepaalt welke ionen in en uit de neuronen stromen. Diffusie is afhankelijk van de temperatuur, dus als je de hitte goed onder controle hebt, regel je de diffusiesnelheid dicht bij de neuronen. Dit zou op zijn beurt invloed hebben op de elektrische activiteit van de cel. Deze studie demonstreert het concept dat het fotothermische effect, dat licht omzet in warmte, in de buurt van neuronen die met nanodeeltjes zijn gelabeld, kan worden gebruikt als een manier om specifieke neuronen op afstand te besturen.”

Om de koffie-analogie voort te zetten, heeft het team een ​​fotothermisch schuim ontworpen dat lijkt op een suikerklontje en een dichte populatie van nanodeeltjes vormt in een strakke verpakking die sneller werkt dan individuele suikerkristallen die zich verspreiden, zei Raman.

“Met zoveel van hen verpakt in een klein volume, is het schuim sneller in het omzetten van licht in warmte en geeft het een efficiëntere controle aan alleen de neuronen die we willen,” zei hij. “Je hoeft geen kracht van hoge intensiteit te gebruiken om hetzelfde effect te genereren.”

Bovendien heeft het team, waaronder Jon Silva, universitair hoofddocent biomedische technologie, de PDA-nanodeeltjes toegepast op cardiomyocyten of hartspiercellen. Interessant is dat het fotothermische proces de cardiomyocyten prikkelde, wat aantoont dat het proces de prikkelbaarheid in cellen kan verhogen of verlagen, afhankelijk van hun type.

“De prikkelbaarheid van een cel of weefsel, of het nu gaat om cardiomyocyten of spiercellen, hangt tot op zekere hoogte af van diffusie,” zei Raman. “Hoewel cardiomyocyten andere regels hebben, kan worden verwacht dat het principe dat de gevoeligheid voor temperatuur regelt, vergelijkbaar is.”

Nu bekijkt het team hoe verschillende soorten neuronen reageren op het stimulatieproces. Ze zullen zich richten op bepaalde neuronen door de nanodeeltjes selectief te binden om meer selectieve controle te bieden.