Учёные из Сколтеха (группа ВЭБ.РФ), Института цитологии и генетики СО РАН и других научных центров придумали, как регулировать частоту дыхания и сердечных сокращений мыши при помощи беспроводной стимуляции блуждающего нерва. Источником электростимуляции послужили нетоксичные магнитные микрочастицы, которые играли роль крошечных электродов в нервной ткани.
Этот активно исследуемый подход — перспективная альтернатива хирургически имплантируемым в мозг электродам, которые применяются как крайняя мера при тяжёлых, устойчивых к лечению формах эпилепсии и болезни Паркинсона, а также изучаются как возможный метод лечения деменции, хронической боли и других неврологических заболеваний.
При всей своей инвазивности электростимуляция мозга остаётся единственной действенной терапией — или многообещающим экспериментальным методом лечения — ряда тяжёлых неврологических, двигательных и психиатрических расстройств в случаях, когда фармакологические препараты и другие стандартные подходы бессильны.
Стимуляцию с помощью хирургически имплантированных электродов уже используют для лечения болезни Паркинсона, эссенциального тремора, устойчивой к лекарствам эпилепсии и обсессивно-компульсивного расстройства. Метод активно исследуется применительно к болезни Альцгеймера и другим формам деменции, синдрому Туретта, фармакорезистентной депрессии, наркомании, хронической боли и кластерной головной боли.
«Несмотря на очевидную пользу, когда держишь такой электрод в руке и тем более когда смотришь на снимок мозга пациента с пятисантиметровым куском металла внутри, невольно задумываешься, нельзя ли обойтись чем-то менее инвазивным, — рассказал один из авторов исследования, профессор Глеб Сухоруков, директор Центра био- и медицинских технологий Сколтеха. — Мы работаем над тем, чтобы заменить электроды биосовместимыми микрочастицами размером с отдельный нейрон, которые можно было бы вводить инъекцией. Да, инъекция в мозг — это всё ещё инвазивное вмешательство, но куда менее травматичное. А если нам удастся сделать эти частицы примерно в 10 раз меньше, станет возможной усиленная назальная доставка».
Сам по себе такой подход уже использовался в научных работах, но у новых магнитных микрочастиц есть ключевое преимущество — биосовместимость. В ранее существовавших аналогах использовались токсичные металлы — кобальт или никель. В изготовленных авторами исследования микрочастицах вредных веществ нет.
Композитные микрочастицы имеют форму хоккейной шайбы и сделаны из полилактида — твёрдого биоразлагаемого полимера, который с виду похож на пластик молочно-белого цвета. Внутри полилактидные частицы начинены множеством крошечных стержней из оксида железа.
Чтобы изготовить композитную частицу, магнитные наностержни добавляют в раствор полилактида и заливают его в микролунки, диаметр которых соответствуют желаемому размеру «шайб». Затем материал кристаллизуется (затвердевает) в лунках в присутствии магнитного поля, которое выстраивает все металлические стержни в одном направлении, как крошечные стрелки компасов — это имеет решающее значение для дальнейшего применения.
Подготовленные таким образом частицы теперь должны оказаться в нужной области мозга или на периферическом нерве, который требует стимуляции. Чтобы проверить эффективность частиц, учёные хирургическим путём привели их в контакт с блуждающим нервом мыши, который участвует в регуляции частоты сердцебиения, дыхания, пищеварения и других непроизвольных функций. В реальных медицинских применениях вместо имплантации будут использоваться менее инвазивные методы: инъекция или усиленная назальная доставка.
Как только магнитная частица оказывается в контакте с отдельным нейроном, а размер у них примерно одинаковый, достаточно активировать её для возбуждения клетки, будь то в головном или спинном мозге или периферическом нервном волокне. Активация достигается за счёт переменного магнитного поля. Оно заставляет металлические стержни давить на полимер. Будучи пьезоэлектриком, полилактид генерирует электрический ток при механическом напряжении. В эксперименте было показано, что возникающие таким образом электрические импульсы влияют на дыхание и частоту сердечных сокращений мыши.
«Это первый эксперимент на животной модели, демонстрирующий, что нетоксичные магнитные микрочастицы способны модулировать эти непроизвольные процессы. В ходе эксперимента мы наблюдали учащение дыхания и замедление сердечного ритма после превышения порога активации. Тот же подход пригоден для дистанционной активации нервных путей вообще. В этом году мы планируем начать моделировать на мышах конкретные заболевания и травмы, в том числе контузию», — объяснил Глеб Сухоруков.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
