Naast het reageren op elektrische en chemische prikkels, veel van de neurale cellen van het lichaam kunnen ook reageren op mechanische effecten, zoals druk of trillingen. Maar deze reacties waren moeilijker voor onderzoekers om te bestuderen, omdat er geen gemakkelijk controleerbare methode is geweest om een ​​dergelijke mechanische stimulatie van de cellen te induceren. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT en elders hebben een nieuwe methode gevonden om precies dat te doen.

De bevinding zou een stap kunnen zijn in de richting van nieuwe soorten therapeutische behandelingen, vergelijkbaar met elektrisch gebaseerde neurostimulatie die is gebruikt om de ziekte van Parkinson en andere aandoeningen te behandelen. In tegenstelling tot die systemen, die een externe draadverbinding vereisen, het nieuwe systeem zou volledig contactloos zijn na een eerste injectie van deeltjes, en kan naar believen worden gereactiveerd door een extern aangelegd magnetisch veld.

De bevinding wordt gerapporteerd in het tijdschrift ACS Nano , in een paper van voormalig MIT-postdoc Danijela Gregurec, Alexander Senko Ph.D. '19, Universitair hoofddocent Polina Anikeeva, en negen anderen aan het MIT, in het Brigham and Women's Hospital in Boston, en in Spanje.

De nieuwe methode opent een nieuwe weg voor de stimulatie van zenuwcellen in het lichaam, die tot dusverre bijna volledig op een van beide chemische routes, door het gebruik van geneesmiddelen, of op elektrische paden, die invasieve draden nodig hebben om spanning in het lichaam te leveren. Deze mechanische stimulatie, die geheel verschillende signaalroutes in de neuronen zelf activeert, een belangrijk studiegebied zou kunnen bieden, zeggen de onderzoekers.

"Een interessant aspect van het zenuwstelsel is dat neuronen daadwerkelijk krachten kunnen detecteren, "zegt Senko. "Zo werkt je tastzin, en ook je gehoor en evenwicht." Het team richtte zich op een bepaalde groep neuronen binnen een structuur die bekend staat als het dorsale wortelganglion, die een interface vormt tussen het centrale en perifere zenuwstelsel, omdat deze cellen bijzonder gevoelig zijn voor mechanische krachten.

De toepassingen van de techniek kunnen vergelijkbaar zijn met die welke worden ontwikkeld op het gebied van bio-elektronische geneesmiddelen, Senko zegt, maar die vereisen elektroden die doorgaans veel groter en stijver zijn dan de neuronen die worden gestimuleerd, hun precisie beperken en soms cellen beschadigen.

De sleutel tot het nieuwe proces was het ontwikkelen van minuscule schijfjes met een ongebruikelijke magnetische eigenschap, waardoor ze kunnen gaan fladderen wanneer ze worden blootgesteld aan een bepaald soort variërend magnetisch veld. Hoewel de deeltjes zelf slechts 100 nanometer groot zijn, ongeveer een honderdste van de grootte van de neuronen die ze proberen te stimuleren, ze kunnen in grote hoeveelheden worden gemaakt en geïnjecteerd, zodat hun effect gezamenlijk sterk genoeg is om de drukreceptoren van de cel te activeren. "We hebben nanodeeltjes gemaakt die daadwerkelijk krachten produceren die cellen kunnen detecteren en waarop ze kunnen reageren, ' zegt Senko.

Anikeeva zegt dat conventionele magnetische nanodeeltjes onpraktisch grote magnetische velden nodig hadden om te worden geactiveerd, dus het vinden van materialen die voldoende kracht konden leveren met slechts matige magnetische activering was "een heel moeilijk probleem". De oplossing bleek een nieuw soort magnetische nanodiscs te zijn.

Deze schijven, die honderden nanometers in diameter zijn, bevatten een vortexconfiguratie van atomaire spins wanneer er geen externe magnetische velden worden toegepast. Hierdoor gedragen de deeltjes zich alsof ze helemaal niet magnetisch zijn, waardoor ze uitzonderlijk stabiel zijn in oplossingen. Wanneer deze schijven worden blootgesteld aan een zeer zwak variërend magnetisch veld van enkele millitesla, met een lage frequentie van slechts enkele hertz, ze schakelen over naar een toestand waarin de interne spins allemaal zijn uitgelijnd in het schijfvlak. Hierdoor kunnen deze nanodiscs als hefbomen fungeren en op en neer bewegen met de richting van het veld.

Anikeeva, die universitair hoofddocent is bij de afdelingen Materials Science and Engineering en Brain and Cognitive Sciences, zegt dat dit werk verschillende disciplines combineert, inclusief nieuwe chemie die leidde tot de ontwikkeling van deze nanodiscs, samen met elektromagnetische effecten en werken aan de biologie van neurostimulatie.

Het team overwoog eerst om deeltjes van een magnetische metaallegering te gebruiken die de nodige krachten zouden kunnen leveren, maar dit waren geen biocompatibele materialen, en ze waren onbetaalbaar. De onderzoekers vonden een manier om deeltjes gemaakt van hematiet te gebruiken, een goedaardig ijzeroxide, die de vereiste schijfvormen kunnen vormen. Het hematiet werd vervolgens omgezet in magnetiet, die de magnetische eigenschappen heeft die ze nodig hadden en waarvan bekend is dat ze goedaardig is in het lichaam. Deze chemische transformatie van hematiet naar magnetiet verandert een bloedrode buis van deeltjes dramatisch in gitzwart.

"We moesten bevestigen dat deze deeltjes inderdaad deze echt ongebruikelijke spintoestand ondersteunden, deze draaikolk, "zegt Gregurec. Ze probeerden eerst de nieuw ontwikkelde nanodeeltjes uit en bewezen, met behulp van holografische beeldvormingssystemen geleverd door collega's in Spanje, dat de deeltjes echt reageerden zoals verwacht, het leveren van de nodige krachten om reacties van neuronen op te wekken. De resultaten kwamen eind december en "iedereen dacht dat het een kerstcadeau was, "Anikeeva herinnert zich, "toen we onze eerste hologrammen kregen, en we konden echt zien dat wat we theoretisch hebben voorspeld en chemisch vermoed, feitelijk fysiek waar was."

Het werk staat nog in de kinderschoenen, ze zegt. "Dit is een allereerste demonstratie dat het mogelijk is om deze deeltjes te gebruiken om grote krachten op membranen van neuronen over te brengen om ze te stimuleren."

Ze voegt eraan toe "dat opent een heel veld van mogelijkheden. ... Dit betekent dat overal in het zenuwstelsel waar cellen gevoelig zijn voor mechanische krachten, en dat is in wezen elk orgaan, we kunnen nu de functie van dat orgaan moduleren." Dat brengt de wetenschap een stap dichterbij, ze zegt, naar het doel van bio-elektronische geneeskunde die stimulatie kan geven op het niveau van individuele organen of delen van het lichaam, zonder de noodzaak van medicijnen of elektroden.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.