En plus de répondre aux stimuli électriques et chimiques, de nombreuses cellules neurales du corps peuvent également répondre à des effets mécaniques, tels que la pression ou les vibrations. Mais ces réponses ont été plus difficiles à étudier pour les chercheurs, car il n'y avait pas de méthode facilement contrôlable pour induire une telle stimulation mécanique des cellules. Aujourd'hui, des chercheurs du MIT et d'ailleurs ont trouvé une nouvelle méthode pour y parvenir.
La découverte pourrait offrir un pas vers de nouveaux types de traitements thérapeutiques, similaires à la neurostimulation électrique qui a été utilisée pour traiter la maladie de Parkinson et d'autres conditions. Contrairement à ces systèmes, qui nécessitent une connexion filaire externe, le nouveau système serait totalement sans contact après une injection initiale de particules, et pourrait être réactivé à volonté grâce à un champ magnétique appliqué de l'extérieur.
La découverte est rapportée dans le journal ACS Nano, dans un article de l'ex-postdoctorante du MIT Danijela Gregurec, Alexander Senko PhD '19, professeur agrégé Polina Anikeeva et neuf autres au MIT, au Brigham and Women's Hospital de Boston et en Espagne.
La nouvelle méthode ouvre une nouvelle voie pour la stimulation des cellules nerveuses dans le corps, qui jusqu'à présent reposait presque entièrement sur des voies chimiques, via l'utilisation de produits pharmaceutiques, ou sur des voies électriques, qui nécessitent des fils invasifs pour fournir une tension dans le corps. . Cette stimulation mécanique, qui active des voies de signalisation entièrement différentes dans les neurones eux-mêmes, pourrait fournir un domaine d'étude important, selon les chercheurs.
«Une chose intéressante à propos du système nerveux est que les neurones peuvent réellement détecter des forces», dit Senko. « C'est ainsi que fonctionne votre sens du toucher, ainsi que votre sens de l'ouïe et de l'équilibre. » L'équipe a ciblé un groupe particulier de neurones au sein d'une structure connue sous le nom de ganglion de la racine dorsale, qui forme une interface entre les systèmes nerveux central et périphérique, car ces cellules sont particulièrement sensibles aux forces mécaniques.
Les applications de la technique pourraient être similaires à celles en cours de développement dans le domaine des médicaments bioélectroniques, dit Senko, mais celles-ci nécessitent des électrodes qui sont généralement beaucoup plus grosses et plus rigides que les neurones stimulés, limitant leur précision et endommageant parfois les cellules.
La clé du nouveau processus a été de développer des disques minuscules avec une propriété magnétique inhabituelle, ce qui peut les amener à clignoter lorsqu'ils sont soumis à un certain type de champ magnétique variable. Bien que les particules elles-mêmes ne mesurent que 100 nanomètres de diamètre, soit environ un centième de la taille des neurones qu'elles tentent de stimuler, elles peuvent être fabriquées et injectées en grande quantité, de sorte que, collectivement, leur effet soit suffisamment fort pour activer la pression de la cellule. récepteurs. «Nous avons fabriqué des nanoparticules qui produisent en fait des forces que les cellules peuvent détecter et auxquelles les cellules peuvent répondre», explique Senko.
Anikeeva dit que les nanoparticules magnétiques conventionnelles auraient nécessité l'activation de champs magnétiques impraticables, donc trouver des matériaux qui pourraient fournir une force suffisante avec une activation magnétique juste modérée était « un problème très difficile. » La solution s'est avérée être un nouveau type de nanodisques magnétiques.
Ces disques, qui ont des centaines de nanomètres de diamètre, contiennent une configuration vortex de spins atomiques lorsqu'il n'y a pas de champ magnétique externe appliqué. Cela fait que les particules se comportent comme si elles n'étaient pas du tout magnétiques, ce qui les rend exceptionnellement stables dans les solutions. Lorsque ces disques sont soumis à un champ magnétique variable très faible de quelques millitesla, avec une basse fréquence de quelques hertz seulement, ils passent dans un état où les spins internes sont tous alignés dans le plan du disque. Cela permet à ces nanodisques d'agir comme des leviers – se déplaçant de haut en bas avec la direction du champ.
Anikeeva, qui est professeur agrégé dans les départements de science et génie des matériaux et de sciences du cerveau et cognitives, dit que ce travail combine plusieurs disciplines, y compris la nouvelle chimie qui a conduit au développement de ces nanodisques, ainsi que des effets électromagnétiques et des travaux sur la biologie de la neurostimulation. .
L'équipe a d'abord envisagé d'utiliser des particules d'un alliage métallique magnétique qui pourraient fournir les forces nécessaires, mais il ne s'agissait pas de matériaux biocompatibles et leur coût était prohibitif. Les chercheurs ont trouvé un moyen d'utiliser des particules d'hématite, un oxyde de fer bénin, qui peuvent former les formes de disque requises. L'hématite a ensuite été convertie en magnétite, qui possède les propriétés magnétiques nécessaires et est connue pour être bénigne dans le corps. Cette transformation chimique de l'hématite en magnétite transforme radicalement un tube de particules rouge sang en noir de jais.
«Nous devions confirmer que ces particules supportaient effectivement cet état de spin vraiment inhabituel, ce vortex», explique Gregurec. Ils ont d'abord essayé les nanoparticules nouvellement développées et ont prouvé, en utilisant des systèmes d'imagerie holographique fournis par des collègues en Espagne, que les particules réagissaient vraiment comme prévu, fournissant les forces nécessaires pour susciter des réponses des neurones. Les résultats sont arrivés fin décembre et «tout le monde pensait que c'était un cadeau de Noël», se souvient Anikeeva, «lorsque nous avons obtenu nos premiers hologrammes, et nous avons vraiment pu voir que ce que nous avons théoriquement prédit et chimiquement suspecté était en fait physiquement vrai».
Le travail en est encore à ses débuts.
Il s'agit d'une toute première démonstration qu'il est possible d'utiliser ces particules pour transduire de grandes forces vers les membranes des neurones afin de les stimuler. «
Polina Anikeeva, professeure agrégée, MIT
Elle ajoute « cela ouvre tout un champ de possibilités. … Cela signifie que partout dans le système nerveux où les cellules sont sensibles aux forces mécaniques, et c'est essentiellement n'importe quel organe, nous pouvons maintenant moduler la fonction de cet organe. » Cela rapproche la science, dit-elle, de l'objectif de la médecine bioélectronique qui peut fournir une stimulation au niveau d'organes individuels ou de parties du corps, sans avoir besoin de médicaments ou d'électrodes.
La source:
Massachusetts Institute of Technology
Référence du journal:
Gregurec, D., et al. (2020) Les nanodisques magnétiques Vortex permettent une stimulation neurale magnétomécanique à distance. ACS Nano. doi.org/10.1021/acsnano.0c00562.
