Уже много лет человек использует носимые устройства (например, умные часы и фитнес-трекеры), которые контролируют и измеряют внутренние процессы организма, например, анализ фаз сна или частоту сердечных сокращений.
Ученые из Массачусетского технологического института разработали носимые устройства, которые позволяют контролировать функции отдельных клеток организма.
Эти устройства размером с небольшую клетку, без батареек, они изготовлены из мягкого полимера и могут оборачивать различные части нейронов, такие как аксоны и дендриты, они не повреждают клетки, и активация их проводится светом.
Устройства позволяют как измерять метаболическую активность нейрона, так и проводить модуляцию.
Ученые предполагают, что можно будет вводить в организм тысячи этих крошечных устройств и беспроводным способом (с помощью света) активировать их.
Манипуляция дозой света, который воздействует снаружи тела, ученые будут контролировать, как устройства обволакивают клетки.
Обволакивая аксоны, которые передают электрические импульсы между нервными клетками и в другие части тела, эти разработанные носимые устройства могут помочь в некоторой степени остановить деградацию нейронов, которая развивается при таких заболеваниях, как рассеянный склероз. В будущем устройства могут быть интегрированы с другими материалами для создания микроскопических схем, которые могут измерять функции и проводить модулирование отдельных клеток.
Исследование было опубликовано в Nature Communications Chemistry.
Нервные клетки мозга имеют сложную форму, что затрудняет создание биоэлектронных имплантатов, которые могли бы плотно охватывать нейроны. Так, например, аксоны представляют собой структуры, которые похожи на хвост, и они имеют различную длину и кривизну.
Кроме того, аксоны и другие структуры очень хрупкие и любое устройство, которое контактируют с ними, должно быть в достаточной степени мягким, обеспечивать хороший контакт и не причинять вред.
Для решения этих проблем ученые Массачусетского технологического института разработали устройства на основе тонкой пленки из мягкого полимера, под названием азобензол, которые обволакивали клетки и не повреждали их.
Тонкие листы азобензола под воздействием света трансформировались и оборачивались вокруг клеток. За счет изменения интенсивности и поляризации света ученые могут контролировать как форму устройства, так и направление, так и диаметр сворачивания.
Тонкие пленки могут трансформироваться в микроскопические трубки диаметром менее микрометра, что позволяет им плотно обволакивать сильно изогнутые аксоны и дендриты.
Ученые подбирали методы изготовления так, чтобы процесс не требовал использования чистой комнаты для полупроводников.
Ученые провели серию экспериментов для того, чтобы подтвердить, что метод биосовместимый.
Устройства были протестированы на нейронах крыс и было обнаружено, что они могут охватывать даже сильно изогнутые аксоны и дендриты без их повреждения.
Учитывая то, что азобензол является изолятором, его можно использовать как синтетический миелин для поврежденных аксонов. Такие свойства очень актуальны при таких заболеваниях, как рассеянный склероз, при котором происходит разрушение миелиновых оболочек, и в настоящее время не существует биологических способов их восстановления. Синтетический миелин может помочь в восстановлении функции нейронов у пациентов с рассеянным склерозом.
Ученые в ходе исследования также обнаружили, что возможна комбинация этих устройств с оптоэлектрическими материалами, что позволить проводить стимуляцию клеток.
