Pequenos discos magnéticos oferecem estimulação cerebral remota sem transgenes

Os dispositivos podem ser uma ferramenta útil para pesquisas biomédicas e possível uso clínico no futuro.

Novos nanodiscos magnéticos poderiam fornecer uma forma muito menos invasiva de estimular partes do cérebro, abrindo caminho para terapias de estimulação sem implantes ou modificação genética, relatam pesquisadores do MIT.

Os cientistas prevêem que os pequenos discos, com cerca de 250 nanômetros de diâmetro (cerca de 1/500 da largura de um fio de cabelo humano), seriam injetados diretamente no local desejado do cérebro. A partir daí, eles poderiam ser ativados a qualquer momento, simplesmente aplicando um campo magnético fora do corpo. As novas partículas poderão rapidamente encontrar aplicações em pesquisas biomédicas e, eventualmente, após testes suficientes, poderão ser aplicadas em usos clínicos.

O desenvolvimento dessas nanopartículas é descrito na revista Nanotecnologia da Natureza em um artigo de Polina Anikeeva, professora dos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais e Ciências do Cérebro e Cognitivas do MIT, da estudante de pós-graduação Ye Ji Kim e de 17 outras pessoas no MIT e na Alemanha.

A estimulação cerebral profunda (DBS) é um procedimento clínico comum que utiliza eletrodos implantados nas regiões-alvo do cérebro para tratar sintomas de condições neurológicas e psiquiátricas, como doença de Parkinson e transtorno obsessivo-compulsivo. Apesar da sua eficácia, a dificuldade cirúrgica e as complicações clínicas associadas à ECP limitam o número de casos em que tal procedimento invasivo é justificado. Os novos nanodiscos poderiam fornecer uma maneira muito mais benigna de alcançar os mesmos resultados.

Na última década, foram desenvolvidos outros métodos sem implantes para produzir estimulação cerebral. No entanto, estas abordagens eram frequentemente limitadas pela sua resolução espacial ou capacidade de atingir regiões profundas. Na última década, o grupo de Bioeletrônica de Anikeeva, bem como outros na área, usaram nanomateriais magnéticos para transduzir sinais magnéticos remotos em estimulação cerebral. No entanto, esses métodos magnéticos dependiam de modificações genéticas e não podem ser usados ​​em humanos.

Como todas as células nervosas são sensíveis a sinais elétricos, Kim, um estudante de pós-graduação do grupo de Anikeeva, levantou a hipótese de que um nanomaterial magnetoelétrico que pudesse converter eficientemente a magnetização em potencial elétrico poderia oferecer um caminho para a estimulação magnética remota do cérebro. Criar um material magnetoelétrico em nanoescala foi, no entanto, um desafio formidável.

Kim sintetizou novos nanodiscos magnetoelétricos e colaborou com Noah Kent, pós-doutorado no laboratório de Anikeeva com formação em física e segundo autor do estudo, para compreender as propriedades dessas partículas.

A estrutura dos novos nanodiscos consiste em um núcleo magnético de duas camadas e um invólucro piezoelétrico. O núcleo magnético é magnetostritivo, o que significa que muda de forma quando magnetizado. Esta deformação induz então tensão no invólucro piezoelétrico que produz uma polarização elétrica variável. Através da combinação dos dois efeitos, essas partículas compostas podem fornecer pulsos elétricos aos neurônios quando expostas a campos magnéticos.

Uma chave para a eficácia dos discos é o seu formato. Tentativas anteriores de usar nanopartículas magnéticas usaram partículas esféricas, mas o efeito magnetoelétrico foi muito fraco, diz Kim. Esta anisotropia aumenta a magnetostrição em mais de 1000 vezes, acrescenta Kent.

A equipe primeiro adicionou seus nanodiscos a neurônios cultivados, o que permitiu então ativar essas células sob demanda com pulsos curtos de campo magnético. Esta estimulação não exigiu nenhuma modificação genética.

Eles então injetaram pequenas gotas de solução de nanodiscos magnetoelétricos em regiões específicas do cérebro dos ratos. Então, simplesmente ligar um eletroímã relativamente fraco próximo fez com que as partículas liberassem uma pequena descarga de eletricidade naquela região do cérebro. A estimulação pode ser ligada e desligada remotamente pela comutação do eletroímã. Essa estimulação elétrica “teve um impacto na atividade dos neurônios e no comportamento”, diz Kim.

A equipe descobriu que os nanodiscos magnetoelétricos poderiam estimular uma região profunda do cérebro, a área tegmental ventral, que está associada a sentimentos de recompensa.

A equipe também estimulou outra área do cérebro, o núcleo subtalâmico, associada ao controle motor. “Esta é a região onde os eletrodos normalmente são implantados para tratar a doença de Parkinson”, explica Kim. Os pesquisadores conseguiram demonstrar com sucesso a modulação do controle motor através das partículas. Especificamente, ao injetar nanodiscos apenas em um hemisfério, os pesquisadores poderiam induzir rotações em ratos saudáveis ​​através da aplicação de campo magnético.

Os nanodiscos poderiam desencadear atividade neuronal comparável aos eletrodos implantados convencionais, proporcionando estimulação elétrica suave. Os autores alcançaram precisão temporal de subsegundos para estimulação neural com seu método, mas observaram respostas de corpo estranho significativamente reduzidas em comparação com os eletrodos, permitindo potencialmente uma estimulação cerebral profunda ainda mais segura.

A composição química multicamadas, a forma física e o tamanho dos novos nanodiscos multicamadas é o que tornou possível a estimulação precisa.

Embora os pesquisadores tenham aumentado com sucesso o efeito magnetostritivo, a segunda parte do processo, convertendo o efeito magnético em uma saída elétrica, ainda precisa de mais trabalho, diz Anikeeva. Embora a resposta magnética tenha sido mil vezes maior, a conversão em impulso elétrico foi apenas quatro vezes maior do que com partículas esféricas convencionais.

“Este enorme aumento de mil vezes não se traduziu completamente no aprimoramento magnetoelétrico”, diz Kim. “É aí que grande parte do trabalho futuro se concentrará, em garantir que a amplificação mil vezes maior na magnetostrição possa ser convertida em uma amplificação mil vezes maior no acoplamento magnetoelétrico.”

O que a equipa descobriu, em termos da forma como a forma das partículas afecta a sua magnetostrição, foi bastante inesperado. “É uma coisa nova que surgiu quando tentámos descobrir porque é que estas partículas funcionavam tão bem”, diz Kent.

Anikeeva acrescenta: “Sim, é uma partícula que quebra recordes, mas não é tão recorde quanto poderia ser”. Este continua a ser um tema para trabalhos futuros, mas a equipa tem ideias sobre como fazer mais progressos.

Embora estes nanodiscos possam, em princípio, já ser aplicados à investigação básica utilizando modelos animais, traduzi-los para uso clínico em humanos exigiria vários passos adicionais, incluindo estudos de segurança em larga escala, “o que é algo que os investigadores académicos não estão necessariamente mais bem posicionados”. fazer”, diz Anikeeva. “Quando descobrimos que estas partículas são realmente úteis num contexto clínico específico, então imaginamos que haverá um caminho para que sejam submetidas a estudos mais rigorosos de segurança em grandes animais”.

A equipe incluiu pesquisadores afiliados aos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, Engenharia Elétrica e Ciência da Computação, Química e Ciências do Cérebro e Cognitivas do MIT; o Laboratório de Pesquisa em Eletrônica; o Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro; e o Instituto Koch para Pesquisa Integrativa do Câncer; e da Universidade Friedrich-Alexander de Erlangen, Alemanha.