Implantati za mozak ugrađuju se bez operacije

Što ako bi kliničari mogli jednostavnom injekcijom u ruku ugraditi sitne elektroničke čipove u mozak koji električno stimuliraju preciznu metu? To bi jednog dana moglo pomoći u liječenju smrtonosnih ili iscrpljujućih bolesti mozga, a istovremeno eliminirati rizike i troškove povezane s operacijom.

Istraživači s američkog tehnološkog instituta MIT, napravili su veliki korak prema ostvarenju ovog scenarija. Razvili su mikroskopsku, bežičnu bioelektroniku, koja bi mogla putovati kroz krvožilni sustav tijela i autonomno se implantirati u ciljano područje mozga, gdje bi pružala ciljani tretman.

U studiji na miševima, istraživači su pokazali da nakon injekcije, ovi minijaturni implantati mogu putovati do određenog područja mozga bez potrebe za ljudskim vodstvom. Nakon što stignu tamo, mogu se bežično napajati kako bi pružili električnu stimulaciju točno određenom području.

Takva stimulacija, poznata kao neuromodulacija, pokazala se obećavajućom kao način liječenja tumora mozga i bolesti poput Alzheimerove bolesti i multiple skleroze.

Štoviše, budući da su elektronički uređaji integrirani sa živim, biološkim stanicama prije ubrizgavanja, ne napada ih imunološki sustav tijela i mogu prijeći krvno-moždanu barijeru, a pritom je ostaviti netaknutom.

Istraživači su demonstrirali upotrebu ove tehnologije, koju nazivaju "cirkulatronika", za ciljano djelovanje na upalu mozga, glavni faktor u progresiji mnogih neuroloških bolesti. Pokazuju da implantati mogu pružiti lokaliziranu neuromodulaciju duboko u mozgu postižući visoku preciznost, unutar nekoliko mikrona oko ciljanog područja.

Iako moždani implantati obično zahtijevaju stotine tisuća dolara medicinskih troškova i rizičnih kirurških zahvata, cirkulatronička tehnologija ima potencijal učiniti terapijske moždane implantate dostupnima svima uklanjanjem potrebe za operacijom, kaže Deblina Sarkar, izvanredna profesorica u MIT Media Labu i MIT Centru za neurobiološki inženjering, voditeljica Nano-kibernetičkog Biotrek laboratorija i glavna autorica studije objavljene u časopisu Nature Biotechnology.

Tim radi na cirkulatronici više od šest godina. Elektronički uređaji, svaki otprilike milijardu puta kraći od zrna riže, sastavljeni su od organskih poluvodičkih polimernih slojeva smještenih između metalnih slojeva kako bi se stvorila elektronička heterostruktura.

Izrađuju se korištenjem CMOS-kompatibilnih procesa u MIT.nano postrojenjima, a zatim se integriraju sa živim stanicama kako bi se stvorili hibridi stanične elektronike. Da bi to postigli, istraživači podižu uređaje sa silicijske pločice na kojoj su izrađeni, tako da slobodno plutaju u otopini.

„Elektronika je radila savršeno kada je bila pričvršćena na podlogu, ali kada smo je izvorno podigli, više nije radila. Rješavanje tog izazova trajalo nam je više od godinu dana“, kaže Sarkar.

Ključ njihovog rada je visoka učinkovitost bežične pretvorbe energije sićušne elektronike. To omogućuje uređajima da rade duboko u mozgu i dalje koriste dovoljno energije za neuromodulaciju.

Istraživači koriste kemijsku reakciju kako bi povezali elektroničke uređaje sa stanicama. U novoj studiji spojili su elektroniku s vrstom imunoloških stanica zvanih monociti, koje ciljaju područja upale u tijelu. Također su primijenili fluorescentnu boju, što im omogućuje praćenje uređaja dok prelaze netaknutu krvno-moždanu barijeru i implantiraju se u ciljano područje mozga.

Iako su u ovoj studiji istraživali upalu mozga, istraživači se nadaju da će koristiti različite tipove stanica i modificirati ih kako bi ciljale specifične regije mozga.

„Naš hibrid stanica i elektronike spaja svestranost elektronike s biološkim transportom i biokemijskom snagom živih stanica“, kaže Sarkar. „Žive stanice kamufliraju elektroniku tako da ih imunološki sustav tijela ne napadne i da mogu nesmetano putovati krvotokom. To im također omogućuje da se provuku kroz netaknutu krvno-moždanu barijeru bez potrebe da je invazivno otvore.“

Tijekom otprilike četiri godine, tim je isprobao mnoge metode za autonomno i neinvazivno prelaženje krvno-moždane barijere prije nego što su usavršili ovu tehniku ​​stanične integracije.

Osim toga, budući da su cirkulatronički uređaji tako sićušni, nude puno veću preciznost od konvencionalnih elektroda. Mogu se sami implantirati, što dovodi do milijuna mikroskopskih mjesta stimulacije koja poprimaju točan oblik ciljanog područja.

Njihova mala veličina također omogućuje biokompatibilnim uređajima da žive uz neurone bez uzrokovanja štetnih učinaka. Kroz niz testova biokompatibilnosti, istraživači su otkrili da se cirkulatronika može sigurno integrirati među neuronima bez utjecaja na moždane procese koji stoje iza kognitivnih procesa ili kretanja.

Nakon što se uređaji sami implantiraju u ciljano područje, kliničar ili istraživač koristi vanjski odašiljač za stvaranje elektromagnetskih valova, u obliku bliskog infracrvenog svjetla, koji pokreću tehnologiju i omogućuju električnu stimulaciju neurona.

Laboratorij Sarkar trenutno radi na razvoju vlastite tehnologije za liječenje više bolesti, uključujući rak mozga, Alzheimerovu bolest i kroničnu bol.

Mala veličina i mogućnosti samoimplantacije cirkulatroničkih uređaja mogle bi ih učiniti prikladnima za liječenje raka mozga poput glioblastoma koji uzrokuje tumore na više mjesta, od kojih neki mogu biti premaleni za identifikaciju tehnikama snimanja. Također bi mogli pružiti nove mogućnosti za liječenje posebno smrtonosnih karcinoma poput difuznog intrinzičnog pontinskog glioma, agresivnog tipa tumora koji se nalazi u moždanom deblu i koji se obično ne može kirurški ukloniti.

„Ovo je platformska tehnologija i mogla bi se koristiti za liječenje višestrukih bolesti mozga i mentalnih bolesti“, kaže Sarkar. „Također, ova tehnologija nije ograničena samo na mozak, već bi se u budućnosti mogla proširiti i na druge dijelove tijela.“

Istraživači se nadaju da će tehnologiju staviti u klinička ispitivanja u roku od tri godine putem nedavno pokrenutog startupa Cahira Technologies .