Nieuw materiaal helpt bij neurale stimulatie met behulp van licht

Het vermogen om neuronen te targeten en te stimuleren, biedt tal van voordelen, waaronder een beter begrip van de hersenfunctie en de behandeling van neurologische ziekten. Momenteel kunnen ultramoderne micro-elektrode-arrays (MEA’s) neuronen met hoge precisie stimuleren, maar ze missen celtypespecificiteit en vereisen invasieve implantatie die kan leiden tot weefselbeschadiging, denk aan stimulatoren die worden gebruikt om patiënten met tremoren te helpen. Professor in Materials Science and Engineering en Biomedical Engineering, Tzahi Cohen-Karni en zijn team hebben nieuwe materialen onderzocht om fotostimulatie op afstand mogelijk te maken, of het gebruik van licht om cellen te stimuleren.

Cellen kunnen met elkaar “praten” door elektrische signalen te verzenden en te ontvangen. In het membraan van een cel, een neuron in onze hersenen bijvoorbeeld, zijn er kleine poriën die ionenkanalen worden genoemd en die ionen in en uit de cel laten bewegen. Onder normale omstandigheden bepalen de stromen van ionen over het membraan of een cel een elektrisch signaal naar zijn buren zal sturen. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om lichtpulsen te gebruiken om de eigenschappen van het celmembraan te veranderen en een elektrisch signaal op te wekken dat de cellulaire communicatie kan regelen. Het team van Cohen-Karni streeft naar het identificeren van materialen die effectief zijn in het controleren van celactiviteiten zonder angst te veroorzaken. Ze erkenden dat multidimensionaal grafeen (fuzzy grafeen) zich voordeed als een geweldige kandidaat voor cellulaire stimulatie, maar ontdekten dat sommige materialen moeilijk te produceren waren en niet genoeg licht konden absorberen om licht efficiënt om te zetten in warmte.

In zijn huidige onderzoek, gepubliceerd door de American Chemical Society, concentreerde Cohen-Karni zich op overgangsmetaalcarbiden/nitrides (MXenes) vlokken, een uniek tweedimensionaal (2D) nanomateriaal ontdekt door het team van Dr. Yury Gogotsi aan de Drexel University. Van MXenen is aangetoond dat ze uitstekende mechanische eigenschappen, hoge elektrische geleidbaarheid en uitstekende elektrochemische eigenschappen vertonen, en belangrijker nog, ze zijn gemakkelijk en goedkoop te produceren.

In plaats van het materiaal te bestuderen op zijn bulkeigenschappen, heeft het team van Cohen-Karni de fotothermische eigenschappen van het materiaal gemeten op een enkel vlokniveau. Het team verspreidde vlokken op het oppervlak van dorsale wortelganglion (DRG), cellen in het perifere zenuwstelsel, en verlichtte ze met korte lichtpulsen. Door het grensvlak tussen cellen en materialen te bestuderen, werd het duidelijk dat vlokken niet door de cellen zouden worden geabsorbeerd en Cohen-Karni kon nauwkeurig de hoeveelheid licht meten die nodig is om cellulaire verandering teweeg te brengen.

“Wat echt uniek is aan de materialen die we in mijn laboratorium gebruiken, is dat we geen hoge energiepulsen hoeven te gebruiken om een ​​effectieve stimulatie te krijgen”, legt Cohen-Karni uit. “Door korte lichtpulsen op de DRG-MXene-interface te laten schijnen, ontdekten we dat de elektrofysiologie van de cel met succes was veranderd.”

Dus wat betekent dit voor de toekomst van de neurologie? Met een beter begrip van hoe neurale stimulatie kan worden bereikt en het gemak van MXene-productie, kunnen onderzoekers fotostimulatie op afstand efficiënter oefenen. Onderzoekers kunnen bijvoorbeeld MXenes insluiten in kunstmatig weefsel dat is ontwikkeld in de vorm van hersenen, en vervolgens licht gebruiken om de neurale activiteit te beheersen en de rol van neuronen in de ontwikkeling van de hersenen verder bloot te leggen. Uiteindelijk zou dit materiaal zelfs kunnen worden gebruikt als een niet-invasieve behandeling voor neurale functiebeperkingen, zoals tremoren.

Andere teamleden die bij het onderzoek betrokken waren, waren onder meer de studenten Materials Science and Engineering Yingqaio Wang en Raghav Garg; Jane E. Hartung en Michael S. Gold van de Universiteit van Pittsburgh; Adam Goad en Dipna A. Patel van de Drexel University; en Flavia Vitale van de Universiteit van Pennsylvania en het Centrum voor Neurotrauma, Neurodegeneratie en Restauratie.