Магнітний мікроробот доставить нейрони в мозок
Вчені з Південної Кореї сконструювали мікроскопічного робота, який управляється зовнішнім магнітним полем і доставляє в ізольовані тканини гіпокампа щури культивовані нейрони. Це дозволяє вибірково з'єднувати і заново запускати нейронні мережі, зв'язки в яких раніше були порушені. Технологія потенційно здатна допомогти в контролі над зростанням клітин у пошкодженому мозку, в тому числі людському. Про це повідомляється в журналі.
Вивчення нейронних зв'язків і активності клітин дуже важливо для розуміння різних функцій мозку - від сенсорної обробки і механізмів пам'яті до складних поведінкових шаблонів. Всі вони цілком залежать від відповідних нейронних мереж, тому вчені давно шукають ефективні способи маніпулювання ними. Це допомогло б у найтонших деталях зрозуміти процеси, що протікають в нервовій тканині, розібратися, як окремі клітини спілкуються між собою і в кінцевому підсумку - навчитися усувати пов'язані з таким спілкуванням захворювання. До сьогоднішнього дня, однак, подібні експерименти вдавалося проводити виключно на мозкових органоїдах і в культурах тканин поза тіл живих організмів.
Зараз для вивчення роботи нейронних мереж і спроб проконтролювати зростання нейронів широко використовуються хімічні, фізичні або механічні способи контролю за клітинними зв'язками. Наприклад, деякі дослідники практикували спосіб створення за допомогою хімічних методів сигнального патерну зростання майбутніх нейронів. Однак такий підхід не може забезпечити високу точність і низьку травматичність маніпуляцій з клітинами: через це доставити нові клітини до особливо складних ділянок не вийде. На допомогу в здійсненні цих методів віднедавна прийшли мікророботи з магнітним приводом.
Вченим з Інституту науки і технології міста Тегу на чолі з Чой Хонгсу (Hongsoo Choi) вдалося сконструювати тривимірного робота на магнітному управлінні, який допомагає з високою точністю доставити необхідні живі клітини в цільову область нервової тканини. Сам робот - це прямокутна мікрочастинка, яка виготовлена шляхом тривимірної лазерної літографії з обложеним на ній шарами нікелю (Ni) і діоксиду титану (TiO2) для забезпечення одночасно магнітних і біосумісних властивостей матеріалу. Розмір частинки - близько 300 мікрометрів, що відповідає відстані для формування дводенного відростка тіла нейрона.
По всій довжині мікроприбору розташовані поздовжні мікроканавки, ширина і глибина яких аналогічні лінійним розмірам самих аксонів і дендритів (приблизно п'ять і два мікрометри відповідно). Саме завдяки таким напрямним мікроканавкам вдається вирівняти і направити відростки розміщеної на роботі клітини до скошених кінців його поверхні, де вони повинні бути заново з'єднані. У результаті відбувається плавний ріст клітин на роботі до навколишньої поверхні тканини.
Під час експерименту на поверхні багатоелектродної напівпровідникової матриці високої щільності, яка відстежує аксональні сигнали, вчені розмістили нейронні кластери клітин гіпокампа щура з зазором 200 мікрометрів. Туди ж посадили мікроробота, який несе на собі вирощені донорські клітини: переміщення пристрою контролювали за допомогою восьми електромагнітних котушок, які створюють напругу магнітного поля в 20 мікротеслу з частотою 1,2 Герца.
Оскільки структура самого робота неоднорідна за складом, електромагнітні маніпуляції дозволяють точно вирівняти його між двома нейронними кластерами залежно від програми магнітного поля, і таким чином забезпечити з'єднання між ними. Саме в цьому місці згодом і сформується потрібний нейронний зв'язок. Крім того, сигнали, що надходять на матрицю, дають можливість ідентифікувати утворені нейронні мережі без додаткового мікроскопічного спостереження. Це дозволяє контролювати рівень нейрональної активності клітин до, під час і після маніпуляції з роботом.
Вчені також показали, що сам рух робота в клітинному середовищі ніяк не впливав на життєздатність клітин. Порівняно з контролем, де донорські нейрони були розміщені на плоскій поверхні між двома кластерами клітин і демонстрували випадковий розподіл і напрямок зростання аксонів і дендритів, відростки на роботі проростали виключно вздовж мікроканавок і відновлювали функціональні зв'язки в строго відведеному місці.
Використовуючи методи візуалізації клітинних процесів (зокрема, конфокальну імунофлюоресценцію), вченим вдалося підтвердити, що розміщені на мікророботі клітини дійсно демонструють вирівняне зростання аксонів і нормальне відновлення синаптичних зв'язків між нейронними кластерами. При цьому, вчені спостерігали відновлення нормальної морфології нейронної мережі при повній життєздатності культивованих клітин.
Необхідно зазначити, що попередні експерименти вже демонстрували можливість сумісності подібних мікророботів з ембріональними клітинами людської нирки, мезенхімальними стовбуровими клітинами, стовбуровими нервовими клітинами гіпокампу людини та деякими іншими. Це дозволяє сподіватися, що в майбутньому вченим вдасться застосовувати технологію до широкого класу завдань. Але лише зараз вдалося практично показати реальність застосовності технології для первинних нейронів гіпокампа, принаймні для культури клітин.
Описаний метод доставки донорських клітин виключає необхідність використання інвазивних мікропіпеток і маніпуляторів. Робот з винятковою точністю розміщується у фізіологічному середовищі, навіть у найбільш крихітних областях тканини-мішені. Він майже не руйнує клітини і, більше того, управляється за допомогою нешкідливого слабкого джерела енергії. А контроль за зростанням і спрямованістю нейронних відростків дозволяє вибудувати нейронні мережі, аналогічні тим, які можна спостерігати в здоровому мозку.
Як стверджують автори статті, в майбутньому сам мікроробот може бути вдосконалений залежно від цілей використання. Так, замість нікелю можуть застосовуватися наночастинки оксиду заліза (Fe3O4), які мають підвищену спорідненість з різними типами біологічних тканин.
В цілому, методи керованого формування нейронних мереж в майбутньому допоможуть у створенні і впровадженні в практику терапевтичних засобів, спрямованих на відновлення зростання пошкоджених аксонів в погано функціонуючих нейронах. Технологія також зможе поліпшити і загальне розуміння роботи мозку на клітинному рівні.
Про те, як мікророботу вдалося доставити живі клітини в органи миші, ви можете прочитати тут, а про мікроракету, яку змусили мчати по кровоносній судині, - тут.