Представьте, что вместо местной операции на мозге, достаточно одной инъекции в руку, после чего миниатюрное устройство само доставляется до нужного участка в голове.
Ученые Массачусетского технологического института (MIT) разработали микроскопические биоэлектронные имплантаты, которые перемещаются по кровеносной системе и самостоятельно внедряются в целевую область мозга. После установки эти устройства получают питание от беспроводной сети и стимулируют нейроны, открывая перспективы для лечения различных заболеваний, связанных с мозгом, таких как болезнь Альцгеймера, рак мозга, рассеянный склероз и другие неврологические расстройства. Результаты опубликованы в журнале Nature Biotechnology.
«Раньше вмешательство в определенные участки мозга требовало инвазивных процедур, — объясняет доцент Массачусетского технологического института Деблина Саркар.
Наши устройства позволяют добираться до нужных областей мягко и точно, без хирургического повреждения тканей. Это открывает новые возможности для изучения и лечения заболеваний мозга на микроскопическом уровне».
Как устроены и работают имплантаты
Каждое устройство размером с миллиардную часть длины рисового зерна. Оно состоит из слоев рассчитанных полупроводников, встроенных между металлами, образующих сложную электронную гетероструктуру. Изготовление осуществляется с применением КМОП-совместимых технологий в MIT.nano, после чего чипы интегрируются с живыми клетками — обычно с иммунными моноцитами.
Эти клетки транспортируют устройство к очагу воспаления и маскируют его от системы иммунной системы, что позволяет безопасно преодолеть гематоэнцефалический барьер, который обычно защищает мозг от чужеродных веществ.
Исследования на животных показывают, что циркуляция крови обеспечивает необходимые области мозга и обеспечивает локальную нейромодуляцию без повреждения окружающих нейронов. Технология позволяет создавать миллионы микроскопических точек стимуляции, повторяющих форму замкнутой области и обеспечивать точность до нескольких микрометров.
Точность биоэлектроники
Главная инновация заключается в объединении электроники и живых клеток. Электроника обеспечивает высокоточную стимуляцию и возможность беспроводного питания клеток, выполняет транспортную функцию и работает как биосенсоры, реагируя на состояние тканей. Устройства кровообращения безопасно сосуществуют с нейронами, не нарушают когнитивные процессы и движения, а также могут воздействовать на очаги заболеваний, которые традиционно трудно преодолеть хирургическими методами.
«Наш гибрид сочетает в себе универсальность электроники с биологическим транспортом и сенсорными возможностями живых клеток. Это позволяет достичь того, чего не могут быть обычные имплантаты», — поясняет Саркар.
Применение и перспективы
В лаборатории исследуют возможности лечения рака мозга, труднооперабельных опухолей ствола мозга и нейродегенеративных заболеваний. Миниатюрные чипы способны проникать даже в мельчайшие очаги, без визуализации и с использованием локального воздействия.
Технология также может быть адаптирована для других органов. В ближайшие три года ожидается клиническая проверка на людях. В будущем устройство может иметь встроенные датчики, системы обратной связи и даже синтетические электронные нейроны для более жесткого лечения.
Кроме того, технология открывает возможность долгосрочного состояния тканей и динамических реакций, которые могут стать революционным шагом в персонализированной медицине. Исследователи уже рассматривают причины комбинированной терапии, когда один имплантат постоянно стимулирует нейроны, собирает данные и дает рекомендации врачам для корректировки лечения на начальном этапе.
«Наши крошечные устройства органично интегрируются с нейронами, создавая уникальный симбиоз мозга и технику. Мы работаем над применением этой технологии для лечения нервных заболеваний, когда лекарства или стандартные методы лечения неэффективны. Цель — облегчить страдания людей и дать возможность выйти за рамки биологических ограничений», — говорит Саркар.