Ученые открыли механический способ стимулирования нейронов

Помимо реагирования на электрические и химические стимулы/раздражители, многие нервные клетки организма также могут реагировать на механические воздействия, такие как давление или вибрация. Поэтому исследователи использовали магнитные нанодиски, которые могут быть активированы внешними магнитными полями для механического стимулирования клеток. Новый метод может быть полезным инструментом для исследования нервных реакций.

Открытие может предложить шаг к новым видам терапевтического лечения, подобного нейростимуляции, основанной на электричестве, которая используется для лечения болезни Паркинсона и других состояний. В отличие от тех систем, которые требуют подключения к внешнему проводу, новая система полностью бесконтактная после первоначального введения частиц и может быть возобновлена ​​по желанию через внешнее магнитное поле.

Новый метод, описанный в статье, опубликованной 19 июля в журнале ACS Nano, открывает еще один путь для стимуляции нервных клеток в организме. Ранее исследователи полагались либо на химические пути, через использование фармацевтических препаратов, либо на электрические пути, которые требуют инвазивных проводов для доставки импульса в организм.

Ключом к новому процессу стимуляции нейронов была разработка мельчайших дисков с необычным магнитным свойством. Хотя сами частицы имеют ширину всего около 100 нанометров, что составляет примерно одну сотую от размера нейронов, которые они пытаются стимулировать, их можно производить и вводить в больших количествах, так что в совокупности их эффект достаточно силен, чтобы механически стимулировать клетки.  

Команда нацелилась на определенную группу нейронов в структуре, известной как ганглион дорсального корешка, которая образует интерфейс между центральной и периферической нервной системами, потому что эти клетки особенно чувствительны к механическим воздействиям.

«Мы создали наночастицы, которые фактически производят силы, которые клетки могут обнаруживать и реагировать на них», – говорит автор исследования Александр Сенько из MIT.

Обычные магнитные наночастицы потребовали бы непрактически больших магнитных полей для активации, поэтому поиск материалов, которые могли бы обеспечить достаточную силу при умеренной магнитной активации, был «очень сложной проблемой», которую решили новым видом магнитных нанодисков.

Ученые открыли механический способ стимулирования нейронов

Эти диски диаметром в сотни нанометров содержат вихревую конфигурацию атомных спинов, когда внешние магнитные поля не применяются. Это заставляет частицы вести себя так, как будто они вообще не являются магнитными, что делает их исключительно стабильными в растворах. Когда эти диски подвергаются воздействию очень слабого переменного магнитного поля в несколько миллилитров с низкой частотой, составляющей всего несколько герц, они переходят в состояние, когда все внутренние спины выровнены в плоскости диска. Это позволяет этим нанодискам действовать как рычаги – шатаясь вверх и вниз с направлением поля.

Команда сначала рассмотрела возможность использования частиц из магнитного металлического сплава, которые могли бы обеспечить необходимые силы, но это были не биосовместимые материалы, и они были чрезмерно дорогими. Исследователи нашли способ использовать частицы из гематита, доброкачественного оксида железа, которые могут образовывать необходимые формы дисков. Затем гематит был преобразован в магнетит, который обладает необходимыми магнитными свойствами и, как известно, является доброкачественным в организме. 

Сканирующее электронное микроскопическое изображение культивируемых нервных клеток показывает недавно разработанные командой нанодиски (окрашенные области), расположенные вдоль поверхности клетки, где они могут оказывать достаточно силы, чтобы вызывать реакцию
Сканирующее электронное микроскопическое изображение культивируемых нервных клеток показывает недавно разработанные командой нанодиски (окрашенные области), расположенные вдоль поверхности клетки, где они могут оказывать достаточно силы, чтобы вызывать реакцию

«Это открывает целое поле возможностей. … Это означает, что в любой части нервной системы, где клетки чувствительны к механическим воздействиям, а это практически любой орган, теперь мы можем модулировать функцию этого органа», – говорит соавторка исследования Полина Аникеева.

Это приближает науку, по ее словам, к цели биоэлектронной медицины, которая может обеспечить стимуляцию на уровне отдельных органов или частей тела, без необходимости в лекарствах или электродах.

DOI: 10.1021/acsnano.0c00562