Группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) в течение последних шести лет совершенствовала и объединяла несколько передовых технологий, чтобы создать революционную платформу для лечения широкого спектра неврологических и психических заболеваний. Она может оказаться не только более эффективной, чем традиционные методы, но и избавить от необходимости в сложных процедурах, которые сопряжены с определёнными рисками.
Это называется циркулатроника, и идея заключается в том, чтобы использовать сочетание электроники и биологического транспорта для автономной имплантации биоэлектроники в организм, полностью исключая необходимость хирургического вмешательства для проведения современных методов лечения.
Эта технология основана на использовании целенаправленной электростимуляции мозга при различных заболеваниях. В последние годы этот подход применяется для лечения депрессии, болезни Альцгеймера, рассеянного склероза и опухолей головного мозга.
Обычно для этого требуется инвазивная операция по вживлению электродов в мозг — процедура, которая сопряжена с риском инфицирования и возможного повреждения мозговой ткани. Такие операции также дорогостоящие, и большинству из 3 миллиардов людей с неврологическими расстройствами во всём мире они недоступны.
Интегрированная технология полностью устраняет эту проблему. Вместо этого используются беспроводные электронные устройства субклеточного размера (SWED), которые можно доставить в мозг с помощью укола в руку. После введения этих крошечных чипов они могут самостоятельно имплантироваться в целевые области мозга и получать питание, обеспечивая электростимуляцию поражённых участков.
Циркулатроника была описана в статье, которая была опубликована в Nature Biotechnology на прошлой неделе; старший автор Деблина Саркар возглавляет лабораторию Nano-Cybernetic Biotrek в Массачусетском технологическом институте, и она работала над этой темой вместе с другими исследователями из Массачусетского технологического института, колледжа Уэллсли и Гарвардского университета. Вы можете посмотреть, как она объясняет суть технологии, в видео выше.
В этой технологии есть два интересных аспекта: сами наночастицы SWED и способ их доставки в мозг.
Во-первых, основная электроника действительно маленькая: её размер составляет примерно одну миллиардную часть длины рисового зёрнышка. Она состоит из органических полупроводниковых полимерных слоёв, зажатых между металлическими слоями, и представляет собой крошечные чипы, достаточно компактные, чтобы поместиться на циркулирующей в крови клетке. SWED предназначены для беспроводного сбора энергии по фотоэлектрическому принципу, то есть для преобразования света в электричество. Это означает, что они могут получать энергию от внешнего источника, например от лазера ближнего инфракрасного диапазона, который может проходить сквозь череп.
Эти устройства позволяют с высокой точностью воздействовать на глубинные области мозга. И даже в таком миниатюрном масштабе устройства могут генерировать нановатты энергии, чтобы воздействовать на мозг слабыми электрическими импульсами.
Чтобы направить эти наноэлектронные устройства в мозг, их соединяют с живыми иммунными клетками, называемыми моноцитами, и создают гибрид из клеток и электроники. Эти клетки способны безопасно преодолевать гематоэнцефалический барьер и естественным образом находить и перемещаться в области воспаления в организме. Воспаление является известной терапевтической мишенью при многих неврологических заболеваниях, поэтому эти гибриды находят путь к таким областям мозга и самопроизвольно имплантируются там.
После имплантации гибрида в целевую область SWED можно активировать без проводов, направив на него лазерный луч снаружи. Это запускает электрическую стимуляцию, необходимую для целенаправленной регулировки активности нейронов в очень маленькой целевой области мозга (это называется фокальной нейромодуляцией).
Эта технология была протестирована в два этапа на мышах, чтобы убедиться в безопасности и эффективности концепции, заключающейся в использовании клеток для доставки и работы мозговых имплантатов без хирургического вмешательства.
Чтобы доказать, что эта система самонаведения работает, исследователи сначала создали небольшую воспалённую область в глубинных слоях мозга мышей. Это было сделано для того, чтобы имитировать поражённый участок, который естественным образом будут искать клетки (например, при воспалении, вызванном болезнью Альцгеймера, или при инсульте). Гибриды вводили непосредственно в кровоток мышей. Через 72 часа, когда клетки успели переместиться и самопроизвольно имплантироваться, команда обнаружила, что большое количество экспериментальной электроники успешно достигло цели.
Затем мышей с успешно имплантированными гибридами подвергли беспроводной оптической стимуляции с помощью лазера ближнего инфракрасного диапазона. Исследователи искали белок c-Fos, который служит маркером для недавно активировавшихся клеток мозга, чтобы понять, работает ли стимуляция. Они обнаружили, что у мышей с имплантированными гибридами было большое количество активированных c-Fos-положительных клеток мозга. Более того, активация была очень целенаправленной и происходила всего в 30 мкм от воспалённого участка.
Это может сделать лечение нового поколения доступным для гораздо большего числа людей в ближайшие годы, а также расширить возможности доступа к лечению в регионах, где сложно провести операцию на головном мозге. Саркар и её команда продолжают разрабатывать Circulatronics для лечения рака головного мозга, болезни Альцгеймера, хронической боли и других заболеваний. Они также изучают способы добавления дополнительных наноэлектронных схем в свои SWED, чтобы можно было воспринимать сигналы и даже создавать синтетические электронные нейроны.
Возможно, в будущем эта технология выйдет за рамки лечения неврологических заболеваний. «Эта технология применима не только к мозгу, но и к другим частям тела», — отметил Саркар. Её можно использовать для лечения других органов и даже для установки таких устройств, как беспроводные кардиостимуляторы.
Когда это появится в ближайшей к вам больнице? С помощью дочернего стартапа Массачусетского технологического института под названием Cahira Technologies Саркар работает над тем, чтобы Circulatronics прошла клинические испытания в течение трёх лет. Прежде чем она станет коммерчески доступной, ей предстоит пройти ещё несколько лет процедур утверждения. Так что да, это займёт некоторое время, но она действительно может сыграть огромную роль в будущем медицины.
