Новые нанотехнологичные имплантаты для головного мозга самоимплантируются без хирургического вмешательства

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже разработали и создали микроскопические беспроводные биоэлектронные устройства, способные перемещаться по кровеносной системе и автономно имплантироваться в воспаленный участок мозга для точной нейромодуляции в качестве лечения.  Для этого достаточно простой инъекции в руку.

Хотя современные биоэлектронные имплантаты для стимуляции мозга показали многообещающие результаты в лечении таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз, они являются хирургически инвазивными, дорогостоящими и подвержены инфекциям. Эта реальность подчеркивает потенциал того, что исследователи из MIT называют «циркулятроникой», и вдохновила Деблину Саркар,  руководителя группы нанокибернетического биотрека в лаборатории MIT Media Lab и старшего автора нового исследования, сменить свою научную специализацию с наноэлектроники на нейробиологию.

Цель заключалась в переосмыслении беспроводных электронных устройств субклеточного размера (SWED) для головного мозга. «Циркулатроника возникла из идеи о том, что электронные системы должны беспрепятственно интегрироваться с биологией — будучи субклеточными, автономными и способными к самоимплантации,  а не заставлять мозг вмещать большие хирургически имплантируемые устройства», — сказала Саркар.

Эти самоимплантируемые электронные устройства являются первыми в своем роде и потенциально положат начало новой парадигме автономных и не требующих хирургического вмешательства интерфейсов «мозг-компьютер».

Помимо создания самих устройств, одной из главных задач было выяснить, как доставить их туда, куда нужно. Интегрировав эти крошечные имплантаты с живыми иммунными клетками (моноцитами) и введя их мышам, исследователи из Массачусетского технологического института наблюдали за их способностью использовать естественное перемещение иммунных клеток — без атаки со стороны иммунной системы, повреждения окружающих нейронов или необходимости в человеческом вмешательстве. Биосовместимые имплантаты затем смогли идентифицировать, перемещаться и имплантироваться в очаги воспаления в головном мозге, успешно преодолевая гематоэнцефалический барьер и оставляя его неповрежденным. Команда нанесла на устройства флуоресцентный краситель, чтобы легко отслеживать их перемещение и конечный пункт назначения.

«В этом исследовании наноэлектронные устройства интегрированы с иммунными клетками, которые естественным образом циркулируют и направляются в определенные целевые области головного мозга, — сказала Саркар. - В качестве цели для первой демонстрации нашей технологии мы выбрали области воспаления, поскольку воспаление является фундаментальным признаком и ключевой терапевтической мишенью многих заболеваний центральной и периферической нервной системы, включая нейродегенеративные заболевания, двигательные расстройства, травмы головного мозга, хроническую боль, рак и психические заболевания».

И это идеальный результат: возможность модифицировать клетки, к которым прикрепляются эти устройства, чтобы они могли воздействовать на конкретные заболевания по мере необходимости. «В нашей лаборатории мы получили многообещающие результаты в лечении болезни Альцгеймера, глиобластомы и хронической боли, — сказала Саркар. - Сами электронные компоненты не обнаруживают сигналы заболевания самостоятельно; вместо этого они используют высокоразвитые сенсорные и транспортные возможности клеток, к которым они прикреплены. Как только гибриды достигают целевой области и покидают сосудистую сеть, устройства автономно самоимплантируются в микроокружение ткани».

После имплантации устройств исследователи могут беспроводным способом питать их от электромагнитных полей через внешний передатчик, что позволяет устройствам обеспечивать электрическую стимуляцию в виде ближнего инфракрасного света в точно определенной области мозга в качестве лечения, особенно при заболеваниях, где лекарственные препараты оказались неэффективными.

Эти устройства не привязаны к внешним источникам питания и не требуют физической настройки или проводки. Они реагируют на внешние беспроводные электромагнитные поля, генерируемые передатчиком. Высокая точность стимуляции (30 мкм вокруг цели) достигается благодаря точной самоимплантации электроники в целевую область мозга; локализация беспроводных полей не требуется, что исключает необходимость в сложной конструкции передатчика или сложных методах визуализации для определения местоположения цели».

Благодаря миниатюрности и точности этих устройств, возможно и более раннее и точное выявление этих заболеваний также может стать реальностью. «Автономное распознавание целей с помощью биохимического анализа и возможности самоимплантации циркулятроники позволяют выявлять заболевания на ранних стадиях, когда патологические очаги малы или представляют собой диффузные микроскопические очаги опухолей, которые невозможно обнаружить с помощью методов визуализации», — сказала Саркар.

Подобно тому, как команда будет выбирать разные клетки для прикрепления этих устройств с целью лечения различных заболеваний, им также придется адаптировать электромагнитные волны, которые будут излучать эти устройства, в зависимости от конкретного заболевания. Разные заболевания потребуют разных параметров стимуляции, включая частоту и временные закономерности. Эти параметры определяются с помощью компьютерного моделирования, доклинических исследований и клинических испытаний для установления безопасных и эффективных терапевтических окон».

Создание и разработка этих устройств, обеспечивающих их надлежащую работу, потребовали длительного процесса проб и ошибок, продолжавшегося более 6 лет. «Ранние версии были больше и менее эффективны, особенно в формате свободно плавающих устройств без подложки. Последующие итерации были сосредоточены на уменьшении размеров устройств до субклеточного масштаба, повышении эффективности беспроводного преобразования энергии, улучшении механической гибкости и повышении долгосрочной биосовместимости. Каждая итерация была направлена ​​на решение конкретной технической или биологической проблемы».

После нескольких итераций команда в итоге получила устройство, длина которого составляет примерно одну миллиардную часть длины рисового зерна — значительно меньше, чем одна клетка. Устройство состоит из полупроводниковых органических полимерных слоев, расположенных между комплементарными металл-оксидными полупроводниками, образуя трехслойную гетероструктуру. Эта структура интегрируется с живыми клетками, создавая клеточно-электронные гибриды.

Однако прежде чем эта технология станет широко распространенной, команде необходимо решить ряд важных задач. Одна из них — это поиск оптимального способа отсоединения этих устройств перед их самоимплантацией. «После достижения места имплантации предполагается, что SWED-устройства оседают в воспаленной области мозга либо в результате клеточных процессов (таких как фагоцитоз, апоптоз или локальные микросредовые факторы), либо просто из-за прекращения миграции моноцитов, в результате чего устройство остается в целевом месте, — сказал Филип Маккарти, доктор медицинских наук , практикующий невролог и эпилептолог в Corewell Health в Гранд-Рапидсе, штат Мичиган, который не принимал участия в исследовании. - Точный молекулярный или клеточный механизм отсоединения или «высвобождения» в данном исследовании не был явно разработан или определен».

У исследователей из Массачусетского технологического института есть идеи на этот счет, особенно если устройствам потребуется оставаться в целевой области мозга в течение более длительного времени. В будущем команда может разработать устройства с соединительными элементами, которые будут саморазлагаться через несколько дней или расщепляться под воздействием внешних полей (например, светорасщепляемых соединительных элементов) или биологических сигналов (pH, протеазы и другие биомолекулы).

«Безопасность — это главная проблема, которая возникнет до того, как циркулятроника станет повсеместной», — подчеркнул Маккарти. - Если с устройством что-то пойдет не так, предположительно, не будет способа извлечь все SWED-устройства».

Пока команда Саркар работает над дальнейшим развитием и совершенствованием технологии, исследователи продолжают фокусироваться на ее потенциале. «Это может быть полезно при восстановлении после черепно-мозговых травм, инсультов, опухолей, поскольку нейростимуляция может способствовать восстановлению клеток, — сказал Маккарти. - Это также найдет применение при эпилепсии, вероятно, с точки зрения острого эпилептического статуса, когда клетки сжимаются на такой длительный период времени, что в ответ возникает отек и воспаление».

И это еще не все: используя самоимплантацию в мозг в качестве подтверждения эффективности, команда хочет сделать это «платформенной технологией», а также разрабатывает самоимплантируемые стимуляторы для сердца и спинного мозга, а также "протезы" зрения.

Игорь НАУМОВ

По материалам Medscape