Terapeutické mozkové implantáty, které cestují krví, vzdorují nutnosti chirurgického zákroku

Co kdyby lékaři mohli umístit drobné elektronické čipy do mozku, které elektricky stimulují přesný cíl, pomocí jednoduché injekce do paže? To může jednoho dne pomoci léčit smrtelná nebo oslabující onemocnění mozku a zároveň eliminovat rizika a náklady související s operací.

Výzkumníci z MIT udělali významný krok k tomu, aby se tento scénář stal skutečností. Vyvinuli mikroskopickou bezdrátovou bioelektroniku, která by mohla cestovat oběhovým systémem těla a autonomně se sama implantovat do cílové oblasti mozku, kde by poskytovala cílenou léčbu.

Ve studii na myších vědci ukázali, že po injekci mohou tyto nepatrné implantáty identifikovat a cestovat do specifické oblasti mozku bez potřeby lidského vedení. Jakmile tam jsou, mohou být bezdrátově napájeny, aby poskytovaly elektrickou stimulaci přesné oblasti. Taková stimulace, známá jako neuromodulace, se ukázala jako slibný způsob léčby mozkové nádory a nemoci jako Alzheimerova choroba a roztroušená skleróza.

Navíc, protože elektronických zařízení jsou integrovány s bydlením, biologické buňky před podáním injekce nejsou napadeny imunitním systémem těla a mohou překročit hematoencefalickou bariéru, přičemž ji ponechají nedotčenou. Tím je zachována klíčová ochrana mozku bariérou.

Vědci prokázali použití této technologie, kterou nazývají „circulatronics“, k zacílení zánětu mozku, hlavního faktoru v progresi mnoha neurologických onemocnění. Ukazují, že implantáty mohou poskytnout lokalizovanou neuromodulaci hluboko uvnitř mozku a dosáhnout vysoké přesnosti v rozmezí několika mikronů kolem cílové oblasti.

Biokompatibilní implantáty navíc nepoškozují okolní neurony.

Zatímco mozkové implantáty obvykle vyžadují stovky tisíc dolarů v lékařských nákladech a riskantních chirurgických zákrocích, cirkulační technologie má potenciál zpřístupnit terapeutické mozkové implantáty všem tím, že eliminuje potřebu chirurgického zákroku, říká Deblina Sarkar, AT&T Career Development Associate Professor v MIT Media Lab a MIT Center for Neurobiological Engineering, vedoucí výzkumné studie Nano-Cyberne, vedoucí studie Bio.Cyberne.

Na papíře se k ní připojil hlavní autor Shubham Yadav, postgraduální student MIT, stejně jako další na MIT, Wellesley College a Harvard University. Výzkum je publikován v Přírodní biotechnologie.

Hybridní implantáty

Tým se cirkulatronice věnuje více než šest let. Elektronická zařízení, každé o délce jedné miliardy zrnka rýže, se skládají z organických polovodičových polymerních vrstev vložených mezi kovové vrstvy, aby vytvořily elektronickou heterostrukturu.

Jsou vyrobeny pomocí procesů kompatibilních s CMOS v zařízeních MIT.nano a poté integrovány s živými buňkami za účelem vytvoření hybridů mezi buňkami a elektronikou. Za tímto účelem výzkumníci zvednou zařízení z křemíkového plátku, na kterém jsou vyrobena, takže se volně vznášejí v roztoku.

„Elektronika fungovala perfektně, když byla připevněna k substrátu, ale když jsme ji původně zvedli, už nefungovala. Řešení této výzvy nám trvalo více než rok,“ říká Sarkar.

Klíčem k jejich provozu je vysoká účinnost bezdrátového přeměny energie malé elektroniky. To umožňuje zařízením pracovat hluboko uvnitř mozku a stále využívat dostatek energie pro neuromodulaci.

Vědci použili chemickou reakci k připojení elektronických zařízení k buňkám. V nové studii spojili elektroniku s typem imunitních buněk nazývaných monocyty, které se zaměřují na oblasti zánětu v těle. Uplatnili také a fluorescenční barvivocož jim umožňuje vysledovat zařízení, když procházejí neporušenou hematoencefalickou bariérou a sami se implantují do cílové oblasti mozku.

Zatímco v této studii zkoumali zánět mozku, vědci doufají, že použijí různé typy buněk a upraví buňky tak, aby se zaměřily na konkrétní oblasti mozku.

„Náš hybrid mezi buňkami a elektronikou spojuje všestrannost elektroniky s biologickým transportem a biochemickou schopností živých buněk,“ říká Sarkar. „Živé buňky maskují elektroniku, takže nejsou napadeny imunitním systémem těla a mohou plynule cestovat krevním řečištěm. To jim také umožňuje protlačit se neporušenou hematoencefalickou bariérou, aniž by ji musely invazivně otevírat.“

V průběhu asi čtyř let tým vyzkoušel mnoho metod, jak autonomně a neinvazivně překonat hematoencefalickou bariéru, než zdokonalili tuto techniku ​​buněčné integrace.

Navíc, protože jsou cirkulatronická zařízení tak malá, nabízejí mnohem vyšší přesnost než konvenční elektrody. Mohou se samy implantovat, což vede k milionům mikroskopických stimulačních míst, která mají přesný tvar cílové oblasti.

Jejich malá velikost také umožňuje biokompatibilním zařízením žít vedle neuronů bez škodlivých účinků. Prostřednictvím řady testů biokompatibility vědci zjistili, že cirkulární elektronika se může bezpečně integrovat mezi neurony, aniž by ovlivnila mozkové procesy, které stojí za poznáním nebo pohybem.

Poté, co se zařízení sama implantují do cílové oblasti, lékař nebo výzkumný pracovník použije externí vysílač k poskytnutí elektromagnetické vlnyve formě blízkého infračerveného světla, které pohání technologii a umožňuje elektrická stimulace z neuronů.

Zaměření na smrtelné nemoci

Laboratoř Sarkar v současné době pracuje na vývoji své technologie pro léčbu mnoha nemocí, včetně rakovina mozkuAlzheimerova choroba a chronická bolest.

Malá velikost a schopnosti samo-implantace cirkulatronických zařízení by je mohly učinit vhodnými pro léčbu rakoviny mozku, jako je glioblastom, který způsobuje nádory na více místech, z nichž některé mohou být příliš malé na to, aby je bylo možné identifikovat pomocí zobrazovacích technik. Mohou také poskytnout nové cesty pro léčbu zvláště smrtelných rakovin, jako je difúzní vnitřní pontinový gliom, agresivní typ nádoru nalezeného v mozkovém kmeni, který obvykle nelze chirurgicky odstranit.

„Toto je platformová technologie a může být použita k léčbě více onemocnění mozku a duševní choroby,“ říká Sarkar. „Také tato technologie není omezena pouze na mozek, ale mohla by být v budoucnu rozšířena i na jiné části těla.“

Vědci doufají, že do tří let přesunou technologii do klinických studií prostřednictvím nedávno spuštěného startupu Cahira Technologies.

Zkoumají také integraci dalších nanoelektronických obvodů do svých zařízení, aby umožnily funkce včetně snímání, analýzy dat založené na zpětné vazbě na čipu a schopností, jako je vytváření syntetických elektronických neuronů.

„Naše malá elektronická zařízení se hladce integrují s neurony a žijí a koexistují s mozkovými buňkami, čímž vytvářejí jedinečnou symbiózu mozek-počítač. Odhodlaně pracujeme na využití této technologie pro léčbu nervových onemocnění, kde léky nebo standardní terapie selhávají, pro zmírnění lidského utrpení a předvídání budoucnosti, kde by lidé mohli překonat nemoci a biologická omezení,“ říká Sarkar.

Tento příběh je znovu publikován s laskavým svolením MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), populární stránka, která pokrývá novinky o výzkumu, inovacích a výuce MIT.