Άνταμ Ζιού | Νέα του MIT
Τι θα γινόταν αν οι κλινικοί γιατροί μπορούσαν να τοποθετήσουν μικροσκοπικά ηλεκτρονικά τσιπ στον εγκέφαλο που διεγείρουν ηλεκτρικά έναν ακριβή στόχο, μέσω μιας απλής ένεσης στο χέρι; Αυτό μπορεί κάποια μέρα να βοηθήσει στη θεραπεία θανατηφόρων ή εξουθενωτικών εγκεφαλικών ασθενειών, εξαλείφοντας παράλληλα τους κινδύνους και το κόστος που σχετίζονται με τη χειρουργική επέμβαση.
Ερευνητές του MIT έκαναν ένα σημαντικό βήμα προς την υλοποίηση αυτού του σεναρίου. Ανέπτυξαν μικροσκοπικά, ασύρματα βιοηλεκτρονικά που θα μπορούσαν να ταξιδέψουν μέσω του κυκλοφορικού συστήματος του σώματος και να αυτοεμφυτευτούν αυτόνομα σε μια στοχευμένη περιοχή του εγκεφάλου, όπου θα παρείχαν στοχευμένη θεραπεία.
Σε μια μελέτη σε ποντίκια, οι ερευνητές δείχνουν ότι μετά την ένεση, αυτά τα μικροσκοπικά εμφυτεύματα μπορούν να αναγνωρίσουν και να ταξιδέψουν σε μια συγκεκριμένη περιοχή του εγκεφάλου χωρίς την ανάγκη ανθρώπινης καθοδήγησης. Μόλις φτάσουν εκεί, μπορούν να τροφοδοτηθούν ασύρματα για να παρέχουν ηλεκτρική διέγερση στην ακριβή περιοχή. Μια τέτοια διέγερση, γνωστή ως νευροδιαμόρφωση, έχει δείξει πολλά υποσχόμενη επίδραση ως τρόπος αντιμετώπισης όγκων του εγκεφάλου και ασθενειών όπως η νόσος Αλτσχάιμερ και η σκλήρυνση κατά πλάκας.
Επιπλέον, επειδή οι ηλεκτρονικές συσκευές ενσωματώνονται με ζωντανά, βιολογικά κύτταρα πριν από την ένεσή τους, δεν δέχονται επίθεση από το ανοσοποιητικό σύστημα του σώματος και μπορούν να διασχίσουν τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό αφήνοντάς τον άθικτο. Αυτό διατηρεί την κρίσιμη προστασία του εγκεφάλου από τον φραγμό.
Οι ερευνητές κατέδειξαν τη χρήση αυτής της τεχνολογίας, την οποία ονομάζουν «κυκλοτρονική», για τη στόχευση της φλεγμονής του εγκεφάλου, ενός σημαντικού παράγοντα στην εξέλιξη πολλών νευρολογικών ασθενειών. Δείχνουν ότι τα εμφυτεύματα μπορούν να παρέχουν εντοπισμένη νευροδιαμόρφωση βαθιά μέσα στον εγκέφαλο, επιτυγχάνοντας υψηλή ακρίβεια, σε απόσταση μερικών μικρών γύρω από την περιοχή-στόχο.
Επιπλέον, τα βιοσυμβατά εμφυτεύματα δεν προκαλούν βλάβη στους περιβάλλοντες νευρώνες.
Ενώ τα εγκεφαλικά εμφυτεύματα συνήθως απαιτούν εκατοντάδες χιλιάδες δολάρια σε ιατρικά έξοδα και επικίνδυνες χειρουργικές επεμβάσεις, η τεχνολογία της κυκλοφορικής τρονικοποίησης έχει τη δυνατότητα να καταστήσει τα θεραπευτικά εγκεφαλικά εμφυτεύματα προσβάσιμα σε όλους, εξαλείφοντας την ανάγκη για χειρουργική επέμβαση, λέει η Deblina Sarkar, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Επαγγελματικής Ανάπτυξης της AT&T στο Εργαστήριο Μέσων Ενημέρωσης του MIT και στο Κέντρο Νευροβιολογικής Μηχανικής του MIT, επικεφαλής του Εργαστηρίου Νανο-Κυβερνητικής Biotrek και επικεφαλής συγγραφέας μιας μελέτης σχετικά με την εργασία.
Στην εργασία της συμμετέχουν μαζί με τον κύριο συγγραφέα Shubham Yadav, μεταπτυχιακό φοιτητή του MIT, καθώς και άλλους ερευνητές από το MIT, το Wellesley College και το Πανεπιστήμιο Harvard. Η έρευνα δημοσιεύεται σήμερα στο Nature Biotechnology .
Υβριδικά εμφυτεύματα
Η ομάδα εργάζεται πάνω στην κυκλοφορική ηλεκτρονική για περισσότερα από έξι χρόνια. Οι ηλεκτρονικές συσκευές, καθεμία περίπου με μήκος ένα δισεκατομμυριοστό του μήκους ενός κόκκου ρυζιού, αποτελούνται από οργανικά ημιαγώγιμα πολυμερικά στρώματα που είναι τοποθετημένα ανάμεσα σε μεταλλικά στρώματα για να δημιουργήσουν μια ηλεκτρονική ετεροδομή.
Κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας διαδικασίες συμβατές με CMOS στις εγκαταστάσεις του MIT.nano και στη συνέχεια ενσωματώνονται με ζωντανά κύτταρα για τη δημιουργία υβριδίων κυττάρου-ηλεκτρονικής. Για να το πετύχουν αυτό, οι ερευνητές σηκώνουν τις συσκευές από το πλακίδιο πυριτίου στο οποίο κατασκευάζονται, έτσι ώστε να επιπλέουν ελεύθερα σε ένα διάλυμα.
«Τα ηλεκτρονικά συστήματα λειτουργούσαν άψογα όταν ήταν προσαρτημένα στο υπόστρωμα, αλλά όταν τα αφαιρέσαμε αρχικά, δεν λειτουργούσαν πλέον. Η επίλυση αυτής της πρόκλησης μας πήρε περισσότερο από ένα χρόνο», λέει ο Sarkar.
Κλειδί για τη λειτουργία τους είναι η υψηλή απόδοση ασύρματης μετατροπής ισχύος των μικροσκοπικών ηλεκτρονικών. Αυτό επιτρέπει στις συσκευές να λειτουργούν βαθιά μέσα στον εγκέφαλο και να αξιοποιούν επαρκή ενέργεια για νευροδιαμόρφωση.
Οι ερευνητές χρησιμοποιούν μια χημική αντίδραση για να συνδέσουν τις ηλεκτρονικές συσκευές με τα κύτταρα. Στη νέα μελέτη, σύντηξαν τα ηλεκτρονικά με έναν τύπο ανοσοκυττάρων που ονομάζονται μονοκύτταρα, τα οποία στοχεύουν περιοχές φλεγμονής στο σώμα. Εφάρμοσαν επίσης μια φθορίζουσα χρωστική ουσία, επιτρέποντάς τους να εντοπίσουν τις συσκευές καθώς διέσχιζαν τον άθικτο αιματοεγκεφαλικό φραγμό και αυτοεμφυτεύονταν στην περιοχή-στόχο του εγκεφάλου.
Ενώ σε αυτή τη μελέτη διερεύνησαν τη φλεγμονή του εγκεφάλου, οι ερευνητές ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν διαφορετικούς τύπους κυττάρων και να τροποποιήσουν τα κύτταρα ώστε να στοχεύουν συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου.
«Το υβριδικό μας σύστημα κυττάρου-ηλεκτρονικής συνδυάζει την ευελιξία των ηλεκτρονικών με τη βιολογική μεταφορά και την ικανότητα βιοχημικής ανίχνευσης των ζωντανών κυττάρων», λέει ο Sarkar. «Τα ζωντανά κύτταρα καμουφλάρουν τα ηλεκτρονικά έτσι ώστε να μην δέχονται επίθεση από το ανοσοποιητικό σύστημα του σώματος και να μπορούν να ταξιδεύουν απρόσκοπτα μέσω της κυκλοφορίας του αίματος. Αυτό τους επιτρέπει επίσης να περνούν μέσα από τον άθικτο αιματοεγκεφαλικό φραγμό χωρίς να χρειάζεται να τον ανοίξουν επεμβατικά».
Κατά τη διάρκεια περίπου τεσσάρων ετών, η ομάδα δοκίμασε πολλές μεθόδους για να διασχίσει αυτόνομα και μη επεμβατικά τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό προτού τελειοποιήσει αυτήν την τεχνική κυτταρικής ενσωμάτωσης.
Επιπλέον, επειδή οι συσκευές circulatronics είναι τόσο μικροσκοπικές, προσφέρουν πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια από τα συμβατικά ηλεκτρόδια. Μπορούν να αυτοεμφυτευτούν, οδηγώντας σε εκατομμύρια μικροσκοπικές θέσεις διέγερσης που παίρνουν το ακριβές σχήμα της περιοχής-στόχου.
Το μικρό τους μέγεθος επιτρέπει επίσης στις βιοσυμβατές συσκευές να συνυπάρχουν με τους νευρώνες χωρίς να προκαλούν επιβλαβείς επιπτώσεις. Μέσω μιας σειράς δοκιμών βιοσυμβατότητας, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα κυκλοφορικά συστήματα μπορούν να ενσωματωθούν με ασφάλεια μεταξύ των νευρώνων χωρίς να επηρεάσουν τις εγκεφαλικές διεργασίες πίσω από τη γνωστική λειτουργία ή την κίνηση.
Αφού οι συσκευές αυτοεμφυτευτούν στην περιοχή-στόχο, ένας κλινικός ιατρός ή ερευνητής χρησιμοποιεί έναν εξωτερικό πομπό για να παρέχει ηλεκτρομαγνητικά κύματα, με τη μορφή εγγύς υπέρυθρου φωτός, που τροφοδοτούν την τεχνολογία και επιτρέπουν την ηλεκτρική διέγερση των νευρώνων.
Στοχεύοντας σε θανατηφόρες ασθένειες
Το εργαστήριο Sarkar εργάζεται επί του παρόντος για την ανάπτυξη της τεχνολογίας του για τη θεραπεία πολλαπλών ασθενειών, όπως ο καρκίνος του εγκεφάλου, η νόσος Αλτσχάιμερ και ο χρόνιος πόνος.
Το μικροσκοπικό μέγεθος και οι δυνατότητες αυτοεμφύτευσης των συσκευών circulatronics θα μπορούσαν να τις καταστήσουν κατάλληλες για τη θεραπεία καρκίνων του εγκεφάλου, όπως το γλοιοβλάστωμα, που προκαλούν όγκους σε πολλαπλές θέσεις, μερικοί από τους οποίους μπορεί να είναι πολύ μικροί για να αναγνωριστούν με τεχνικές απεικόνισης. Μπορούν επίσης να προσφέρουν νέες οδούς για τη θεραπεία ιδιαίτερα θανατηφόρων καρκίνων, όπως το διάχυτο εγγενές γλοίωμα της γέφυρας, ένας επιθετικός τύπος όγκου που βρίσκεται στο εγκεφαλικό στέλεχος και συνήθως δεν μπορεί να αφαιρεθεί χειρουργικά.
«Πρόκειται για μια τεχνολογία πλατφόρμας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία πολλαπλών εγκεφαλικών παθήσεων και ψυχικών ασθενειών», λέει ο Sarkar. «Επίσης, αυτή η τεχνολογία δεν περιορίζεται μόνο στον εγκέφαλο, αλλά θα μπορούσε επίσης να επεκταθεί και σε άλλα μέρη του σώματος στο μέλλον».
Οι ερευνητές ελπίζουν να μεταφέρουν την τεχνολογία σε κλινικές δοκιμές εντός τριών ετών μέσω της πρόσφατα ιδρυθείσας νεοσύστατης εταιρείας Cahira Technologies .
Διερευνούν επίσης την ενσωμάτωση πρόσθετων νανοηλεκτρονικών κυκλωμάτων στις συσκευές τους, ώστε να επιτρέψουν λειτουργίες όπως η ανίχνευση, η ανάλυση δεδομένων σε τσιπ με βάση την ανατροφοδότηση και δυνατότητες όπως η δημιουργία συνθετικών ηλεκτρονικών νευρώνων.
«Οι μικροσκοπικές ηλεκτρονικές μας συσκευές ενσωματώνονται άψογα με τους νευρώνες και συνυπάρχουν με τα εγκεφαλικά κύτταρα, δημιουργώντας μια μοναδική συμβίωση εγκεφάλου-υπολογιστή. Εργαζόμαστε αφοσιωμένα για να χρησιμοποιήσουμε αυτήν την τεχνολογία για τη θεραπεία νευρικών ασθενειών, όπου τα φάρμακα ή οι τυπικές θεραπείες αποτυγχάνουν, για την ανακούφιση του ανθρώπινου πόνου και οραματιζόμαστε ένα μέλλον όπου οι άνθρωποι θα μπορούσαν να ξεπεράσουν τις ασθένειες και τους βιολογικούς περιορισμούς», λέει ο Sarkar.
