Tecnologia Científica

Uma maneira meca¢nica de estimular neura´nios
Os nanodiscos magnanãticos podem ser ativados por um campo magnético externo, fornecendo uma ferramenta de pesquisa para o estudo das respostas neurais.
Por David L. Chandler - 20/07/2020


Uma imagem de microsca³pio eletra´nico de varredura de células neurais cultivadas mostra os nanodiscos da equipe (área colorida) recentemente desenvolvidos, dispostos ao longo dasuperfÍcie da canãlula, onde podem exercer força suficiente para desencadear uma resposta. Imagem cortesia dos pesquisadores

Além de responder a esta­mulos elanãtricos e qua­micos, muitas das células neurais do corpo também podem responder a efeitos meca¢nicos, como pressão ou vibração. Mas essas respostas foram mais difa­ceis para os pesquisadores estudarem, porque não havia um manãtodo facilmente controla¡vel para induzir essa estimulação meca¢nica das células. Agora, pesquisadores do MIT e de outros lugares descobriram um novo manãtodo para fazer exatamente isso.

A descoberta pode oferecer um passo em direção a novos tipos de tratamentos terapaªuticos, semelhantes a  neuroestimulação eletricamente usada para tratar a doença de Parkinson e outras condições. Diferentemente dos sistemas, que exigem uma conexão de fio externa, o novo sistema ficaria completamente livre de contato após uma injeção inicial departículas e poderia ser reativado a  vontade atravanãs de um campo magnético aplicado externamente.

A descoberta érelatada na revista ACS Nano , em um artigo do ex-pa³s-doutorado do MIT Danijela Gregurec, Alexander Senko PhD '19, Professora Associada Polina Anikeeva e nove outros no MIT, no Hospital Brigham and Women's de Boston e na Espanha.

O novo manãtodo abre um novo caminho para a estimulação de células nervosas dentro do corpo, que atéagora quase dependeu inteiramente de vias químicas, atravanãs do uso de produtos farmacaªuticos, ou de vias elanãtricas, que exigem fios invasivos para fornecer tensão ao corpo . Essa estimulação meca¢nica, que ativa vias de sinalização completamente diferentes dentro dos pra³prios neura´nios, pode fornecer uma área significativa de estudo, dizem os pesquisadores.

"Uma coisa interessante sobre o sistema nervoso éque os neura´nios podem realmente detectar forças", diz Senko. "a‰ assim que seu senso de toque funciona, e também seu senso de audição e equila­brio." A equipe alvejou um grupo especa­fico de neura´nios dentro de uma estrutura conhecida como ga¢nglio da raiz dorsal, que forma uma interface entre os sistemas nervosos central e perifanãrico, porque essas células são particularmente sensa­veis a s forças meca¢nicas.

As aplicações da técnica podem ser semelhantes a s que estãosendo desenvolvidas no campo dos medicamentos bioeletra´nicos, diz Senko, mas requerem eletrodos tipicamente muito maiores e mais ra­gidos do que os neura´nios estimulados, limitando sua precisão e a s vezes danificando as células.

A chave para o novo processo foi o desenvolvimento de minaºsculos discos com uma propriedade magnanãtica incomum, o que pode fazer com que eles comecem a vibrar quando submetidos a um certo tipo de campo magnético varia¡vel. Embora as própriaspartículas tenham apenas 100 nana´metros de dia¢metro, aproximadamente um centanãsimo do tamanho dos neura´nios que estãotentando estimular, elas podem ser produzidas e injetadas em grandes quantidades, de modo que, coletivamente, seus efeitos sejam fortes o suficiente para ativar a pressão da canãlula. receptores. "Fizemos nanoparta­culas que realmente produzem forças a s quais as células podem detectar e responder", diz Senko.

Anikeeva diz que as nanoparta­culas magnanãticas convencionais exigiriam a ativação de campos magnanãticos imprecticamente grandes, portanto, encontrar materiais que pudessem fornecer força suficiente com ativação magnanãtica moderada era "um problema muito difa­cil". A solução provou ser um novo tipo de nanodisco magnanãtico.

Esses discos, com centenas de nana´metros de dia¢metro, contem uma configuração de giros ata´micos no va³rtice quando não hácampos magnanãticos externos aplicados. Isso faz com que aspartículas se comportem como se não fossem magnanãticas, tornando-as excepcionalmente esta¡veis ​​em soluções. Quando esses discos são submetidos a um campo magnético varia¡vel muito fraco de alguns militesla, com uma frequência baixa de apenas alguns hertz, eles mudam para um estado em que os spins internos estãotodos alinhados no plano do disco. Isso permite que esses nanodiscos funcionem como alavancas - balana§ando para cima e para baixo com a direção do campo.

Anikeeva, professor associado dos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais e Ciências Cognitivas e do Canãrebro, diz que este trabalho combina várias disciplinas, incluindo nova química que levou ao desenvolvimento desses nanodiscos, além de efeitos eletromagnanãticos e trabalho na biologia da neuroestimulação. .

A equipe primeiro considerou o uso departículas de uma liga magnanãtica de metal que poderiam fornecer as forças necessa¡rias, mas esses materiais não eram biocompata­veis e eram proibitivamente caros. Os pesquisadores descobriram uma maneira de usarpartículas feitas de hematita, um a³xido de ferro benigno, que pode formar as formas de disco necessa¡rias. A hematita foi então convertida em magnetita, que possui as propriedades magnanãticas necessa¡rias e éconhecida por ser benigna no corpo. Essa transformação química de hematita em magnetita transforma drasticamente um tubo vermelho-sangue departículas em preto-azeviche.

"Tivemos que confirmar que essaspartículas realmente suportam esse estado de rotação realmente incomum, esse va³rtice", diz Gregurec. Eles primeiro experimentaram as nanoparta­culas recanãm-desenvolvidas e provaram, usando sistemas de imagem hologra¡fica fornecidos por colegas na Espanha, que aspartículas realmente reagiram conforme o esperado, fornecendo as forças necessa¡rias para obter respostas dos neura´nios. Os resultados chegaram no final de dezembro e "todos pensaram que era um presente de Natal", lembra Anikeeva, "quando recebemos nossos primeiros hologramas, e pudemos realmente ver que o que teoricamente preva­amos e suspeita¡vamos quimicamente era realmente fisicamente verdadeiro".

O trabalho ainda estãona infa¢ncia, diz ela. "Esta éuma primeira demonstração de que épossí­vel usar essaspartículas para transduzir grandes forças nas membranas dos neura´nios, a fim de estimula¡-las."

Ela acrescenta “isso abre um campo inteiro de possibilidades. ... Isso significa que em qualquer lugar do sistema nervoso, onde as células são sensa­veis a forças meca¢nicas, e isso éessencialmente qualquer a³rga£o, agora podemos modular a função desse a³rga£o. ” Isso aproxima a ciaªncia, diz ela, da meta da medicina bioeletra´nica que pode fornecer esta­mulos nonívelde órgãos ou partes individuais do corpo, sem a necessidade de drogas ou eletrodos.

O trabalho foi apoiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avana§ada de Defesa dos EUA, pelo Instituto Nacional de Saúde Mental, pelo Departamento de Defesa, pelo Escrita³rio de Pesquisa Cienta­fica da Fora§a Aanãrea e pela Bolsa Nacional de Pa³s-Graduação em Ciência e Engenharia de Defesa.

 

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