دانشمندان MIT روش جدیدی برای درمان مغز ایجاد کردند؛ بدون ایمپلنت های تهاجمی یا تغییرات ژنتیکی!

- ابزارهای جدید برای تحقیقات زیست‌پزشکی و کاربردهای بالینی

به گزارش محققان MIT، نانودیسک‌های مغناطیسی نوآورانه می‌توانند راهی بسیار کم‌تهاجمی‌تر برای تحریک بخش‌هایی از مغز ارائه دهند، که راه را برای درمان‌های تحریک مغز بدون نیاز به ایمپلنت یا اصلاح ژنتیکی هموار می‌کند.

دانشمندان تصور می‌کنند که این دیسک‌های کوچک، با قطر حدود ۲۵۰ نانومتر (تقریباً ۱/۵۰۰ ضخامت یک تار موی انسان)، به‌طور مستقیم به محل مورد نظر در مغز تزریق شوند. از آنجا، می‌توانند هر زمان با اعمال یک میدان مغناطیسی از بیرون بدن فعال شوند.

این ذرات جدید می‌توانند به‌سرعت در تحقیقات زیست‌پزشکی به‌کار گرفته شوند و در نهایت، پس از آزمایش‌های کافی، برای کاربردهای بالینی نیز استفاده شوند.

توسعه این نانوذرات در مجله Nature Nanotechnology، در مقاله ای توسط Polina Anikeeva، استاد بخش علوم و مهندسی مواد و مغز و علوم شناختی MIT، دانشجوی فارغ التحصیل Ye Ji Kim و 17 نفر دیگر در MIT و آلمان توضیح داده شده است. .

تحریک عمیق مغز (DBS) یک روش بالینی رایج است که از الکترودهای کاشته شده در نواحی هدف مغز برای درمان علائم بیماری های عصبی و روانپزشکی مانند بیماری پارکینسون و اختلال وسواس فکری-اجباری استفاده می کند. علیرغم اثربخشی آن، دشواری جراحی و عوارض بالینی مرتبط با DBS تعداد مواردی را که چنین روش تهاجمی ضروری است، محدود می کند. نانودیسک‌های جدید می‌توانند راه بسیار خوش‌خیم‌تری برای دستیابی به نتایج مشابه ارائه دهند.

- چالش‌های پیشین در روش‌های غیرتهاجمی تحریک مغز

در دهه گذشته، روش‌های مختلفی برای تحریک مغز بدون استفاده از ایمپلنت توسعه یافته‌اند. با این حال، این روش‌ها اغلب به دلیل محدودیت در وضوح فضایی یا توانایی هدف‌گیری مناطق عمیق مغز ناکارآمد بودند.

در طول دهه گذشته، گروه زیست‌الکترونیک آنکیوا و سایر گروه‌های فعال در این حوزه از نانومواد مغناطیسی برای تبدیل سیگنال‌های مغناطیسی از راه دور به تحریک مغز استفاده کرده‌اند. با این حال، این روش‌های مغناطیسی به اصلاحات ژنتیکی وابسته بودند و بنابراین نمی‌توانستند در انسان استفاده شوند.

از آنجا که تمام سلول‌های عصبی به سیگنال‌های الکتریکی حساس هستند، کیم، دانشجوی تحصیلات تکمیلی گروه آنیکیوا، فرض کرد که یک ماده نانومقیاس مگنتوالکتریک که بتواند به طور کارآمد مغناطیس را به پتانسیل الکتریکی تبدیل کند، می‌تواند راهی برای تحریک مغز از راه دور با استفاده از مغناطیس ارائه دهد.

با این حال، ساخت ماده‌ای مگنتوالکتریک در "مقیاس نانو" یک چالش بسیار بزرگ محسوب می‌شد.

مقیاس نانو به عنوان محدوده ای از ابعاد از 1 تا 1000 نانومتر تعریف می شود که در آن مواد به دلیل اندازه کوچک، خواص فیزیکی و شیمیایی و بیولوژیکی منحصر به فردی از خود نشان می دهند.

کیم نانودیسک‌های مگنتوالکتریک نوآورانه‌ای را سنتز کرد و برای درک خواص این ذرات با نوح کنت، پژوهشگر فوق دکترا در آزمایشگاه آنیکیوا و نویسنده دوم این مطالعه، که دارای پیش‌زمینه فیزیک است، همکاری نمود.

ساختار نانودیسک‌های جدید شامل یک هسته مغناطیسی دولایه و یک پوسته پیزوالکتریک است. هسته مغناطیسی خاصیت مگنتواستریکتیو دارد، به این معنا که هنگام مغناطیسی شدن تغییر شکل می‌دهد. این تغییر شکل باعث ایجاد فشار در پوسته پیزوالکتریک می‌شود که منجر به تولید قطبش الکتریکی متغیر می‌گردد.

ترکیب این دو اثر به این ذرات مرکب امکان می‌دهد که هنگام قرار گرفتن در معرض میدان‌های مغناطیسی، پالس‌های الکتریکی به نورون‌ها منتقل کنند.

- مزایای شکل دیسک در راندمان تحریک

یکی از کلیدهای موثر بودن دیسک ها شکل دیسک آنها است. کیم می گوید، تلاش های قبلی برای استفاده از نانوذرات مغناطیسی از ذرات کروی استفاده شده بود، اما اثر مغناطیسی الکتریکی بسیار ضعیف بود. کنت اضافه می کند که این ناهمسانگردی انقباض مغناطیسی را بیش از 1000 برابر افزایش می دهد.

این تیم ابتدا نانودیسک‌های خود را به نورون‌های کشت‌شده اضافه کردند، که این امکان را فراهم کرد تا این سلول‌ها را در صورت نیاز با پالس‌های کوتاه میدان مغناطیسی فعال کنند. این تحریک نیازی به اصلاح ژنتیکی نداشت.

سپس قطرات کوچکی از محلول نانودیسک های مغناطیسی را به نواحی خاصی از مغز موش ها تزریق کردند. سپس، به سادگی روشن کردن یک آهنربای الکتریکی نسبتا ضعیف در نزدیکی، ذرات را تحریک کرد تا تکان کوچکی از الکتریسیته را در آن ناحیه مغز آزاد کنند. تحریک را می توان از راه دور با کلید آهنربا خاموش و روشن کرد. کیم می‌گوید: «تحریک الکتریکی بر فعالیت نورون‌ها و رفتار تأثیر می‌گذارد.»

این تیم دریافتند که نانودیسک‌های مغناطیسی می‌توانند ناحیه عمیق مغز، "ناحیه تگمنتال شکمی" را تحریک کنند که با احساس پاداش مرتبط است.

ناحیه تگمنتال شکمی (VTA) ساختاری در مغز میانی است که برآمدگی های عصبی دوپامینرژیک را به هر دو ناحیه لیمبیک و قشر مغز (به ترتیب مدارهای مزولیمبیک و مزوکورتیکال) می فرستد.

این تیم همچنین ناحیه دیگری از مغز، هسته ساب تالاموس، مرتبط با کنترل حرکتی را تحریک کردند. کیم توضیح می‌دهد: «این ناحیه‌ای است که معمولاً الکترودها برای مدیریت بیماری پارکینسون کاشته می‌شوند. محققان توانستند با موفقیت مدولاسیون کنترل موتور را از طریق ذرات نشان دهند. به طور خاص، با تزریق نانودیسک‌ها تنها در یک نیمکره، محققان می‌توانند با اعمال میدان مغناطیسی، چرخش را در موش‌های سالم ایجاد کنند.

- دقت و ایمنی افزایش یافته در مقایسه با ایمپلنت های معمولی

نانودیسک‌ها می‌توانند فعالیت عصبی را تحریک کنند که با الکترودهای کاشته شده معمولی قابل مقایسه است که تحریک الکتریکی خفیفی را ارائه می‌کنند. نویسندگان با روش خود به دقت زمانی ثانویه برای تحریک عصبی دست یافتند، اما واکنش‌های جسم خارجی را در مقایسه با الکترودها به میزان قابل توجهی کاهش دادند، که به طور بالقوه امکان تحریک عمیق‌تر مغزی را فراهم می‌کرد.

ترکیب شیمیایی چند لایه و شکل و اندازه فیزیکی نانودیسک‌های چند لایه جدید چیزی است که تحریک دقیق را ممکن می‌کند.

آنیکیوا می گوید: «در حالی که محققان با موفقیت اثر مغناطیسی را افزایش دادند، بخش دوم فرآیند، تبدیل اثر مغناطیسی به خروجی الکتریکی، هنوز به کار بیشتری نیاز دارد. در حالی که پاسخ مغناطیسی هزار بار بیشتر بود، تبدیل به یک ضربه الکتریکی تنها چهار برابر بیشتر از ذرات کروی معمولی بود.»

کیم می‌گوید: «این افزایش عظیم هزاران بار به طور کامل به تقویت مغناطیسی ترجمه نشد. این همان جایی است که بسیاری از کارهای آینده متمرکز خواهد شد، روی اطمینان از اینکه تقویت هزار برابری در مغناطیسی انقباض می تواند به تقویت هزار برابر در جفت مگنتوالکتریک تبدیل شود.

آنچه که اعضای تیم دریافتند، از نظر روشی که شکل ذرات بر انقباض مغناطیسی آنها تأثیر می گذارد، کاملاً غیرمنتظره بود. کنت می‌گوید: «این یک چیز جدیدی است که به تازگی ظاهر شد زمانی که ما سعی کردیم بفهمیم چرا این ذرات اینقدر خوب کار می‌کنند.»

آنیکیوا اضافه می کند: «بله، این یک ذره رکوردشکنی است، اما آنقدرها هم که می تواند رکورد شکنی نیست.» این موضوع برای کار بیشتر باقی می ماند، اما تیم ایده هایی در مورد چگونگی پیشرفت بیشتر دارد.

در حالی که این نانودیسک‌ها در اصل می‌توانستند در تحقیقات پایه با استفاده از مدل‌های حیوانی به کار گرفته شوند، برای ترجمه آنها به استفاده بالینی در انسان چندین مرحله دیگر از جمله مطالعات ایمنی در مقیاس بزرگ نیاز است. انجام دادن،" Anikeeva می گوید: «وقتی متوجه می‌شویم که این ذرات واقعاً در یک زمینه بالینی خاص مفید هستند، پس تصور می‌کنیم که مسیری برای آنها وجود خواهد داشت که تحت بررسی‌های دقیق‌تر ایمنی حیوانات بزرگ قرار گیرند.»

References:

• https://scitechdaily.com/mit-scientists-develop-new-way-to-treat-the-brain-without-invasive-implants-or-genetic-tweaks/
• https://www.sciencedirect.com/