Субклеточные устройства для аккуратного оборачивания аксонов и дендритов нейронов без повреждения клетки, которые могут быть использованы для измерения или модуляции электрической активности нейрона, разработали ученые Массачусетского технологического института (MIT), 31 октября сообщает пресс-служба университета.

Носимые устройства, такие как умные часы и фитнес-трекеры, взаимодействуют с нашим телом, измеряя показатели внутренних процессов, например, частоту сердечных сокращений или фазы сна, и извлекают из них необходимую информацию.

Исследователи Массачусетского технологического института разработали носимые внутри организма устройства, которые могут выполнять аналогичные функции для отдельных его клеток. Этим устройствам субклеточного размера не нужны элементы питания, они изготавливаются из мягкого полимера и при воздействии на них светом могут мягко обернуться вокруг различных частей нейронов, таких как аксоны и дендриты, не повреждая клетки.

Плотно обволакивая нейронные отростки, они могут использоваться для измерения или модуляции электрической и метаболической активности нейронов на субклеточном уровне. Поскольку эти устройства являются беспроводными и могут свободно перемещаться в организме, исследователи предполагают, что когда-нибудь тысячи таких крошечных устройств можно будет вводить и затем неинвазивно приводить в действие, используя свет.

Исследователи, манипулируя дозой света, излучаемого источником вне тела и проникающего в ткани, могли бы точно управлять этими носимыми внутри организма устройствами, чтобы они мягко обволокли клетки и потом активизировать их действие.

Обволакивая аксоны, передающие электрические импульсы между нейронами и в другие части тела, эти носимые устройства могут помочь восстановить в некоторой степени деградацию нейронов, которая происходит при таких заболеваниях, как рассеянный склероз.

В долгосрочной перспективе эти устройства можно было бы интегрировать с другими материалами для создания крошечных схем, которые могли бы измерять и модулировать отдельные клетки.

Результаты исследования ученые представили в статье «Светоиндуцированное сворачивание тонких пленок полимера азобензола для обертывания субклеточных нейронных структур» (Light-induced rolling of azobenzene polymer thin films for wrapping subcellular neuronal structures), опубликованной в журнале Nature Communications Chemistry.

Доцент кафедры развития карьеры AT&T медиа-лаборатории MIT, руководитель лаборатории нанокибернетических технологий Biotrek Центра нейробиологической инженерии и первый автор статьи Деблина Саркар пояснила: «Концепция и технология платформы, которые мы представляем здесь, подобны краеугольному камню, открывающему огромные возможности для будущих исследований».

Клетки головного мозга имеют сложную форму, что чрезвычайно затрудняет создание биоэлектронного имплантата, который мог бы точно соответствовать нейронам или нейронным отросткам.

Так, аксоны представляют собой тонкие, похожие на хвост структуры, которые прикрепляются к клеточному телу нейронов, а их длина и кривизна сильно различаются. В то же время аксоны и другие клеточные компоненты хрупки, поэтому любое устройство, взаимодействующее с ними, должно быть достаточно мягким, чтобы обеспечить хороший контакт без причинения вреда.

Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи MIT разработали тонкопленочные устройства из мягкого полимера азобензола. Благодаря трансформации материала тонкие слои азобензола сворачиваются под воздействием света, что позволяет им обволакивать клетки, не повреждая их.

Исследователи могут точно контролировать направление и диаметр сворачивания, изменяя интенсивность и поляризацию света, а также форму устройств. Тонкие пленки могут образовывать крошечные микротрубочки диаметром менее микрометра. Это позволяет им мягко, но плотно обхватывать сильно изогнутые аксоны и дендриты.

Ученые экспериментировали с несколькими технологиями изготовления этих пленок, чтобы разработать масштабируемый процесс, который не требовал бы использования специальной полупроводниковой лаборатории.

Создание микроскопических носимых устройств они начинают с нанесения капли азобензола на промежуточный слой, состоящий из водорастворимого материала. Затем исследователи прижимают штамп к капле полимера, чтобы сформировать на промежуточном слое тысячи мельчайших устройств. Техника тиснения позволяет им создавать сложные конструкции — от прямоугольников до цветов.

На этапе обжига испаряются все растворители, а затем с помощью травления удаляются остатки материала между отдельными устройствами. После чего промежуточный слой растворяется в воде, а тысячи микроскопических устройств свободно плавают в жидкости.

Как только ученые нашли решение со свободно плавающими устройствами, они активировали их светом, чтобы заставить свернуться. Они установили, что эти свободно плавающие структуры могут сохранять свою форму в течение нескольких дней после прекращения воздействия света.

Также исследователи провели серию экспериментов на биосовместимость самого метода применения управляемых плавающих устройств. Далее они усовершенствовали использование света для управления их сворачиванием и протестировали метод на нейронах крыс. Оказалось, что эти устройства плотно обхватывают даже сильно изогнутые аксоны и дендриты, не вызывая их повреждений.

«Чтобы иметь тесную связь с этими клетками, устройства должны быть мягкими и способными приспосабливаться к таким сложным структурам. Именно эту задачу мы решили в этой работе. Мы первыми показали, что азобензол может обволакивать даже живые клетки», — отметила Деблина Саркар.

Еще одной сложной задачей, которую они решили, было создание масштабируемого процесса изготовления этих устройств, не требующего специальной чистой комнаты. Кроме того, исследователи подобрали оптимальную толщину устройств, поскольку излишняя толщина приводит к растрескиванию при сворачивании.

Так как азобензол является изолятором, одним из прямых применений устройств может стать использование их в качестве синтетического миелина для аксонов, которые были повреждены. Миелин — это изолирующий слой, который обволакивает аксоны и позволяет электрическим импульсам эффективно перемещаться между нейронами.

При демиелинизирующих заболеваниях, таких как рассеянный склероз, нейроны теряют часть изолирующих миелиновых оболочек. Биологического способа их регенерации не существует. Действуя как синтетический миелин, носимые микроустройства могут помочь восстановить функцию нейронов у пациентов с рассеянным склерозом.

Ученые также исследуют возможность комбинировать эти устройства с оптоэлектрическими материалами, которые могут стимулировать клетки. Более того, на их поверхность можно наносить узоры из атомарно тонких материалов, которые могут сворачиваться в микротрубочки, не разрушаясь.

Это открывает возможности для интеграции в такие устройства датчиков и схем. Кроме того, поскольку они имеют тесную связь с клетками, потребуется очень мало энергии для стимуляции с их помощью субклеточных областей. Такая возможность позволит исследователю или клиницисту модулировать электрическую активность нейронов для лечения заболеваний головного мозга.

Также исследователи хотят попробовать функционализировать поверхности устройств с помощью молекул, которые позволили бы им воздействовать на определенные типы клеток или субклеточные области.