Oltre a rispondere a stimoli elettrici e chimici, molte delle cellule neurali del corpo possono anche rispondere a effetti meccanici, come pressione o vibrazione. Ma queste risposte sono state più difficili da studiare per i ricercatori, perché non esiste un metodo facilmente controllabile per indurre tale stimolazione meccanica delle cellule. Ora, i ricercatori del MIT e altrove hanno trovato un nuovo metodo per fare proprio questo.

La scoperta potrebbe offrire un passo avanti verso nuovi tipi di trattamenti terapeutici, simile alla neurostimolazione elettrica che è stata usata per trattare il morbo di Parkinson e altre condizioni. A differenza di questi sistemi, che richiedono una connessione cablata esterna, il nuovo sistema sarebbe completamente privo di contatto dopo una prima iniezione di particelle, e potrebbe essere riattivato a piacimento attraverso un campo magnetico applicato esternamente.

Il ritrovamento è riportato sulla rivista ACS Nano , in un articolo dell'ex postdoc del MIT Danijela Gregurec, Alexander Senko Ph.D. '19, Professore Associato Polina Anikeeva, e altri nove al MIT, al Brigham and Women's Hospital di Boston, e in Spagna.

Il nuovo metodo apre un nuovo percorso per la stimolazione delle cellule nervose all'interno del corpo, che finora ha fatto affidamento quasi interamente su entrambe le vie chimiche, attraverso l'uso di farmaci, o su percorsi elettrici, che richiedono fili invasivi per fornire tensione nel corpo. Questa stimolazione meccanica, che attiva percorsi di segnalazione completamente diversi all'interno dei neuroni stessi, potrebbe fornire una significativa area di studio, dicono i ricercatori.

"Una cosa interessante del sistema nervoso è che i neuroni possono effettivamente rilevare le forze, " dice Senko. "Così funziona il tuo senso del tatto, e anche il tuo senso dell'udito e dell'equilibrio." Il team ha preso di mira un particolare gruppo di neuroni all'interno di una struttura nota come ganglio della radice dorsale, che costituisce un'interfaccia tra il sistema nervoso centrale e periferico, perché queste cellule sono particolarmente sensibili alle forze meccaniche.

Le applicazioni della tecnica potrebbero essere simili a quelle che si stanno sviluppando nel campo dei farmaci bioelettronici, Senko dice, ma quelli richiedono elettrodi che sono in genere molto più grandi e rigidi dei neuroni stimolati, limitando la loro precisione e talvolta danneggiando le cellule.

La chiave del nuovo processo è stata lo sviluppo di minuscoli dischi con un'insolita proprietà magnetica, che possono farli iniziare a fluttuare quando sottoposti a un certo tipo di campo magnetico variabile. Sebbene le particelle stesse abbiano solo un diametro di circa 100 nanometri, circa un centesimo delle dimensioni dei neuroni che stanno cercando di stimolare, possono essere realizzati e iniettati in grandi quantità, in modo che collettivamente il loro effetto sia abbastanza forte da attivare i recettori di pressione della cellula. "Abbiamo realizzato nanoparticelle che effettivamente producono forze che le cellule possono rilevare e a cui rispondere, " dice Senko.

Anikeeva afferma che le nanoparticelle magnetiche convenzionali avrebbero richiesto l'attivazione di campi magnetici di dimensioni impraticabili, quindi trovare materiali in grado di fornire una forza sufficiente con una moderata attivazione magnetica è stato "un problema molto difficile". La soluzione si è rivelata un nuovo tipo di nanodischi magnetici.

Questi dischi, che hanno un diametro di centinaia di nanometri, contengono una configurazione a vortice di spin atomici quando non sono applicati campi magnetici esterni. Questo fa sì che le particelle si comportino come se non fossero affatto magnetiche, rendendoli eccezionalmente stabili nelle soluzioni. Quando questi dischi sono soggetti a un campo magnetico variabile molto debole di pochi millitesla, con una bassa frequenza di pochi hertz, passano a uno stato in cui gli spin interni sono tutti allineati nel piano del disco. Ciò consente a questi nanodischi di agire come leve, muovendosi su e giù con la direzione del campo.

Anikeeva, che è professore associato nei dipartimenti di Scienza e Ingegneria dei Materiali e Scienze del Cervello e Cognitive, dice che questo lavoro combina diverse discipline, compresa la nuova chimica che ha portato allo sviluppo di questi nanodischi, insieme agli effetti elettromagnetici e al lavoro sulla biologia della neurostimolazione.

Il team ha prima preso in considerazione l'utilizzo di particelle di una lega metallica magnetica in grado di fornire le forze necessarie, ma questi non erano materiali biocompatibili, ed erano proibitivamente costosi. I ricercatori hanno trovato un modo per utilizzare particelle fatte di ematite, un ossido di ferro benigno, che può formare le forme del disco richieste. L'ematite è stata poi convertita in magnetite, che ha le proprietà magnetiche di cui avevano bisogno ed è noto per essere benigno nel corpo. Questa trasformazione chimica da ematite a magnetite trasforma drammaticamente un tubo di particelle rosso sangue in nero corvino.

"Dovevamo confermare che queste particelle supportavano effettivamente questo stato di spin davvero insolito, questo vortice, " dice Gregurec. Hanno prima provato le nanoparticelle appena sviluppate e hanno dimostrato, utilizzando sistemi di imaging olografico forniti da colleghi in Spagna, che le particelle hanno realmente reagito come previsto, fornendo le forze necessarie per suscitare risposte dai neuroni. I risultati sono arrivati ​​a fine dicembre e "tutti pensavano che fosse un regalo di Natale, "Anikeeva ricorda, "quando abbiamo ricevuto i nostri primi ologrammi, e abbiamo potuto davvero vedere che ciò che abbiamo previsto teoricamente e sospettato chimicamente in realtà era fisicamente vero".

L'opera è ancora agli inizi, lei dice. "Questa è una primissima dimostrazione che è possibile utilizzare queste particelle per trasdurre grandi forze alle membrane dei neuroni al fine di stimolarli".

Aggiunge "che apre un intero campo di possibilità. … Ciò significa che ovunque nel sistema nervoso in cui le cellule sono sensibili alle forze meccaniche, e questo è essenzialmente un qualsiasi organo, ora possiamo modulare la funzione di quell'organo." Questo avvicina la scienza ad un passo, lei dice, all'obiettivo della medicina bioelettronica che possa fornire stimoli a livello di singoli organi o parti del corpo, senza bisogno di farmaci o elettrodi.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.