Mikrocewki magnetyczne otwierają ukierunkowane terapie jednoneuronowe w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych

Macierz MagPatch charakteryzuje się precyzją pojedynczego neuronu na potrzeby przyszłych zaawansowanych implantów ślimakowych i stymulacji nerwu błędnego.

Waszyngton, 23 kwietnia 2024 r. — Neurostymulacja to technika medyczna stosowana w leczeniu wielu chorób wpływających na układ nerwowy. Polega na przykładaniu energii do neuronów, aby pobudzić je do wzrostu i nawiązania połączeń z sąsiadami. Leczenie padaczki często obejmuje neurostymulację. Podobne metody leczenia istnieją także w przypadku choroby Parkinsona, bólu przewlekłego i niektórych chorób psychicznych.

W czasopiśmie Vacuum Science and Technology A, wydawanym przez AIP Publishing, naukowcy z Uniwersytetu w Minnesocie opublikowali szereg mikroskopijnych cewek – mikrocewek – których zadaniem jest wytworzenie pola magnetycznego i stymulacja poszczególnych neuronów.

Istniejące urządzenia są skuteczne, ale brakuje im precyzji wymaganej w niektórych zastosowaniach, takich jak implanty ślimakowe czy stymulatory nerwu błędnego.

„Na rynku dostępnych jest wiele urządzeń do neurostymulacji, niektóre zostały już zatwierdzone przez FDA do badań na pacjentach, a inne oczekują na zatwierdzenie” – powiedziała autorka Renata Saha. „Ale każdy z nich ma jedno zastrzeżenie — stymulują dużą liczbę neuronów, w tym sąsiadujące komórki, które nie powinny być stymulowane. Przemysł wyrobów medycznych poszukuje urządzenia lub technologii, która będzie w stanie stymulować neurony z precyzją pojedynczych komórek.

Zamiast używać elektrody, Saha i jej zespół zastosowali magnetyczne cewki z drutu. Ponad dwa wieki temu fizyk Michael Faraday opisał, w jaki sposób prąd elektryczny przepływający przez cewkę z drutu może wytworzyć pole magnetyczne. To pole magnetyczne może stymulować pole elektryczne w dowolnym pobliskim neuronie, co daje taki sam efekt jak elektroda, ale jest bardziej subtelne. Jednak ta technika ma poważną wadę.

„Aby uzyskać wymaganą ilość pola elektrycznego zdolnego do stymulacji neuronów, ilość prądu potrzebna przez te mikrocewki jest bardzo duża” – powiedział Saha. „To prawie trzykrotność natężenia prądu, który musiałby zasilić elektrodę, aby osiągnęła ten sam próg”.

Aby rozwiązać ten problem, zespół wprowadził dwa ulepszenia. Po pierwsze, zamiast jednej małej cewki zastosowano układ ośmiu cewek, które łącznie mogą generować pola elektryczne przy użyciu znacznie mniejszego prądu na cewkę. Naukowcy udoskonalili układy mikrocewek, stosując miękkie materiały magnetyczne, które zwiększają siłę magnetyczną cewek.

„Dodanie tych miękkich materiałów magnetycznych do rdzenia mikrocewek zwiększa pole elektryczne bez konieczności zwiększania prądu płynącego przez mikrocewki” – powiedział Saha.

Naukowcy zbudowali prototyp układu cewek o nazwie MagPatch i zamknęli go w biokompatybilnej warstwie. Następnie przetestowali go na ludzkich komórkach nerwiaka niedojrzałego, aby udowodnić jego skuteczność. Komórki pod wpływem pól magnetycznych nie uległy uszkodzeniu przez powłokę, co sugeruje potencjał zastosowania tego urządzenia w warunkach klinicznych.

Autorzy planują dalszy rozwój i testy urządzenia MagPatch, aby zapewnić jego bezpieczeństwo i użyteczność. Mają nadzieję, że pomoże to ulepszyć następną generację implantów ślimakowych.

###

po więcej informacji:
Wendy Betty
[email protected]
301-209-3090

Tytuł artykułu

Planarne układy mikrocewek do elektromagnetycznej aktywacji neuronów na poziomie komórkowym

Autorski

Renata Saha, Henry J. Benally, Sadiq Faramarzi, Robert B. Bloom, Kai Wu, Dennis Tonini, Mabel Xiao, Susan A. Keirstead, Walter C. Law, Theoden I. Netoffa i Jianpinga Wanga

Afiliacje autorskie

Uniwersytet w Minnesocie