29 ноября 2022 г. Новый метод использует магнитные манипуляции для создания «мини-мозгов» и восстановления поврежденных нейронных сетей.
Проф. Орит Шефи (слева) и докторант Реут Плен
Нейроны - это фундаментальные единицы мозга и нервной системы, клетки, ответственные за получение сенсорной информации из внешнего мира, за отправку двигательных команд нашим мышцам, а также за преобразование и ретрансляцию электрических сигналов на каждом промежуточном этапе. Нейроны, также называемые нервными клетками, состоят из трех основных частей: тела клетки, дендритов и аксона - длинного тонкого отростка, который отвечает за связь с другими клетками.
Когда нейроны повреждены дегенеративным заболеванием или травмой, у них практически нет способности к самовосстановлению. Таким образом, восстановление нейронных сетей и их нормальной функции является серьезной проблемой в области тканевой инженерии.
Профессор Орит Шефи и докторант Реут Плен с инженерного факультета им. Кофкина в Университете Бар-Илан разработали новую технику для решения этой проблемы с использованием нанотехнологий и магнитных манипуляций, одного из самых инновационных подходов к созданию нейронных сетей.
Их исследование было недавно опубликовано в журнале Advanced Functional Materials .
Чтобы создать нейронные сети, исследователи ввели магнитные наночастицы оксида железа в клетки-предшественники нейронов, превратив таким образом клетки в независимые магнитные единицы. Затем они подвергли клетки-предшественники, которые, как известно, развиваются в нейроны, воздействию ряда предварительно настроенных магнитных полей и дистанционно направили их движение внутри трехмерного и многослойного коллагенового субстрата, имитирующего естественные характеристики тканей организма. С помощью этих магнитных манипуляций они создали трехмерные “мини-мозги” - функциональные и многослойные нейронные сети, имитирующие элементы, обнаруженные в мозге млекопитающих.
После того, как раствор коллагена затвердел в гель, клетки остались на месте в соответствии с дистанционно приложенными магнитными полями. В течение нескольких дней клетки превратились в зрелые нейроны, образовали отростки и связи, продемонстрировали электрическую активность и процветали в коллагеновом геле в течение как минимум 21 дня.
«Этот метод прокладывает путь к созданию трехмерной клеточной архитектуры в индивидуальном масштабе для использования в биоинженерных, терапевтических и исследовательских приложениях как внутри, так и вне тела», — говорит аспирант Реут Плен. «Поскольку созданные нами 3D-нейронные сети имитируют врожденные свойства тканей головного мозга человека, их можно использовать в качестве экспериментальных «мини-мозгов» и служить моделью для изучения лекарственных препаратов, для исследования связи между тканями и как способ строить искусственные сети для интерфейсов между инженерными и биологическими компонентами».
Университет Бар-Илан, инженерный факультет(фото предоставлено: БАР-ИЛАНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ / WIKIMEDIA COMMONS)
«Кроме того, модель предлагает интересную перспективу введения такого геля, содержащего клетки, в жидком состоянии, введения его в нервную систему и организации клеток в правильную структуру с помощью магнитных сил.
Преимущество использования
Этот метод заключается в том, что магнитные поля могут воздействовать на клетки, расположенные глубоко внутри тела, неинвазивным образом», — добавляет Плен.
Введение магнитных частиц в клетки, и в частности в нервные клетки, вызывает вопросы относительно безопасности будущих медицинских применений.
«Вопрос безопасности важен, и мы посвятили ему много размышлений и исследований», — отмечает профессор Орит Шефи. «На первом этапе мы проверили влияние различных частиц на здоровье клеток в культуре. Кроме того, мы покрыли магнитные частицы биосовместимым белком. Покрытие создает буфер между магнитным элементом и клеткой и способствует проникновению наночастиц. . Важно отметить, что железо, строительный блок наночастицы, существует в организме естественным образом, поэтому оно не является чужеродным веществом. Кроме того, тот же гель с магнитными частицами был протестирован в нашей лаборатории и признан безопасным для использования на животных моделях».
Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США уже одобрило использование магнитных наночастиц для диагностики и визуализации, а также в случаях тяжелых травм. Шаги, предпринятые исследовательской группой Бар-Илана, открывают возможность усовершенствовать технологию для будущего клинического использования.
«Это только начало», — говорят Шефи и Плен. «Наш новый метод создания «мини-мозга» открывает двери для поиска решений для различных неврологических нарушений, которые, как мы надеемся, улучшат качество жизни многих пациентов».
