Además de responder a estímulos eléctricos y químicos, muchas de las células neuronales del cuerpo también pueden responder a efectos mecánicos, como presión o vibración. Pero estas respuestas han sido más difíciles de estudiar para los investigadores, porque no ha existido un método fácilmente controlable para inducir tal estimulación mecánica de las células. Ahora, Los investigadores del MIT y otros lugares han encontrado un nuevo método para hacer precisamente eso.

El hallazgo podría ofrecer un paso hacia nuevos tipos de tratamientos terapéuticos, similar a la neuroestimulación de base eléctrica que se ha utilizado para tratar la enfermedad de Parkinson y otras afecciones. A diferencia de esos sistemas, que requieren una conexión de cable externo, el nuevo sistema estaría completamente libre de contacto después de una inyección inicial de partículas, y podría reactivarse a voluntad a través de un campo magnético aplicado externamente.

El hallazgo se informa en la revista. ACS Nano , en un artículo de la ex postdoctorado del MIT Danijela Gregurec, Alexander Senko Ph.D. '19, Profesora asociada Polina Anikeeva, y otros nueve en el MIT, en el Hospital Brigham and Women's de Boston, y en España.

El nuevo método abre una nueva vía para la estimulación de las células nerviosas dentro del cuerpo, que hasta ahora se ha basado casi por completo en las vías químicas, mediante el uso de productos farmacéuticos, o en vías eléctricas, que requieren cables invasivos para suministrar voltaje al cuerpo. Esta estimulación mecánica, que activa vías de señalización completamente diferentes dentro de las propias neuronas, podría proporcionar un área de estudio significativa, dicen los investigadores.

"Una cosa interesante sobre el sistema nervioso es que las neuronas pueden detectar fuerzas, "Senko dice." Así es como funciona tu sentido del tacto, y también su sentido del oído y el equilibrio ". El equipo se centró en un grupo particular de neuronas dentro de una estructura conocida como el ganglio de la raíz dorsal, que forma una interfaz entre los sistemas nerviosos central y periférico, porque estas células son particularmente sensibles a las fuerzas mecánicas.

Las aplicaciones de la técnica podrían ser similares a las que se están desarrollando en el campo de los medicamentos bioelectrónicos, Senko dice, pero esos requieren electrodos que suelen ser mucho más grandes y más rígidos que las neuronas que se estimulan, limitando su precisión y, a veces, dañando las células.

La clave del nuevo proceso fue desarrollar discos minúsculos con una propiedad magnética inusual, lo que puede hacer que comiencen a aletear cuando se someten a cierto tipo de campo magnético variable. Aunque las partículas en sí tienen solo unos 100 nanómetros de diámetro, aproximadamente una centésima parte del tamaño de las neuronas que están tratando de estimular, se pueden fabricar e inyectar en grandes cantidades, de modo que colectivamente su efecto sea lo suficientemente fuerte como para activar los receptores de presión de la célula. "Creamos nanopartículas que en realidad producen fuerzas que las células pueden detectar y responder, "Senko dice.

Anikeeva dice que las nanopartículas magnéticas convencionales habrían requerido la activación de campos magnéticos impracticablemente grandes, por lo que encontrar materiales que pudieran proporcionar suficiente fuerza con una activación magnética moderada fue "un problema muy difícil". La solución resultó ser un nuevo tipo de nanodiscos magnéticos.

Estos discos, que tienen cientos de nanómetros de diámetro, contienen una configuración de vórtice de espines atómicos cuando no se aplican campos magnéticos externos. Esto hace que las partículas se comporten como si no fueran magnéticas en absoluto, haciéndolos excepcionalmente estables en soluciones. Cuando estos discos están sujetos a un campo magnético variable muy débil de unos pocos militesla, con una frecuencia baja de solo varios hercios, cambian a un estado en el que todos los giros internos están alineados en el plano del disco. Esto permite que estos nanodiscos actúen como palancas, moviéndose hacia arriba y hacia abajo con la dirección del campo.

Anikeeva, quien es profesor asociado en los departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales y Ciencias Cerebrales y Cognitivas, dice que este trabajo combina varias disciplinas, incluyendo nueva química que condujo al desarrollo de estos nanodiscos, junto con los efectos electromagnéticos y el trabajo sobre la biología de la neuroestimulación.

El equipo primero consideró el uso de partículas de una aleación de metal magnético que podría proporcionar las fuerzas necesarias, pero estos no eran materiales biocompatibles, y eran prohibitivamente caros. Los investigadores encontraron una forma de utilizar partículas hechas de hematita, un óxido de hierro benigno, que puede formar las formas de disco requeridas. Luego, la hematita se convirtió en magnetita, que tiene las propiedades magnéticas que necesitaban y se sabe que es benigno en el cuerpo. Esta transformación química de hematita a magnetita convierte dramáticamente un tubo de partículas rojo sangre en negro azabache.

"Tuvimos que confirmar que estas partículas de hecho apoyaban este estado de giro realmente inusual, este vórtice, "Dice Gregurec. Primero probaron las nanopartículas recién desarrolladas y demostraron, utilizando sistemas de imágenes holográficas proporcionados por colegas en España, que las partículas realmente reaccionaron como se esperaba, proporcionando las fuerzas necesarias para provocar respuestas de las neuronas. Los resultados llegaron a finales de diciembre y "todo el mundo pensó que era un regalo de Navidad, "Anikeeva recuerda, "cuando obtuvimos nuestros primeros hologramas, y pudimos ver realmente que lo que habíamos predicho teóricamente y sospechado químicamente era físicamente cierto ".

La obra aún está en pañales, ella dice. "Esta es una primera demostración de que es posible utilizar estas partículas para transducir grandes fuerzas a las membranas de las neuronas con el fin de estimularlas".

Ella agrega "eso abre todo un campo de posibilidades ... Esto significa que en cualquier parte del sistema nervioso donde las células son sensibles a las fuerzas mecánicas, y eso es esencialmente cualquier órgano, ahora podemos modular la función de ese órgano ". Eso acerca la ciencia un paso más, ella dice, al objetivo de la medicina bioelectrónica que puede proporcionar estimulación a nivel de órganos individuales o partes del cuerpo, sin necesidad de medicamentos ni electrodos.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.