Группа исследователей из ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», Томского политехнического университета и других организаций создали магнитоэлектрические наночастицы, способные точечно и безопасно стимулировать клетки мозга. Они могут стать основой для новых методов терапии эпилепсии, болезней Паркинсона, Альцгеймера и других неврологических расстройств. Статья об этом опубликована в Journal of Controlled Release.
Авторы разработки используют особые магнитоэлектрические частицы, которые умеют превращать переменное магнитное поле в электрическое. Каждая такая частица устроена по принципу «ядро — оболочка»: внутри у неё ядро, а снаружи — оболочка из пьезоэлектрического материала. Пьезоэлектрик — это вещество, которое при механическом воздействии (например, если его сжать или ударить) начинает поляризоваться за счёт перемещения электронов в нем на одну из сторон, что создаёт разность потенциалов на краях материала. Если воздействовать на такой материал часто, например с помощью ультразвука, то пьезоэлектрик будет постоянно генерировать электрическое поле, тем самым он может активировать клетку, рядом с которой находится.
«В нашем случае на частицу действует не ультразвук, а магнитное ядро внутри неё. Здесь вступает в силу ещё одно важное свойство — магнитострикция. Суть его в том, что некоторые магнитные материалы в переменном магнитном поле слегка изменяют свои размеры. Если частица симметричная (например, шар), то она будет менять размер одинаково во все стороны. Эти микроскопические механические колебания передаются на оболочку из пьезоэлектрика, который создаёт электрическое поле. Таким образом, с помощью переменного магнитного поля мы можем управлять электрической активностью этих частиц, не прикасаясь к ним напрямую», — рассказывает старший научный сотрудник ФИЦ ИЦиГ СО РАН кандидат биологических наук Александр Викторович Ромащенко.
Магнитное поле легко проходит через ткани и не вредит им. В отличие от ультразвука, который с расстоянием теряет силу и может перегревать ткани, а также делать их более проницаемыми, оно не вызывает таких побочных эффектов. Поэтому этот способ считается безопасным и щадящим для воздействия на клетки внутри организма.
Схема индуцированного AMF переноса NPS MFO@BCZT из носа в мозг
«Наши коллеги из Томского политехнического университета синтезировали частицы с core-shell структурой: внутри плотное магнитное ядро, а снаружи — равномерная пьезоэлектрическая оболочка. У других исследователей оболочка часто распределяется по ядру отдельными пятнами, в нашем случае тонкая оболочка покрывает ядро со всех сторон, поэтому частица работает одинаково эффективно вне зависимости от того, как она ориентирована. Это также повышает эффективность передачи механических колебаний от ядра к оболочке. Одним из важнейших преимуществ является то, что оболочка тонкая, что требует меньше механических усилий для ее активации», — добавил Александр Ромащенко.
Исследователи провели серию экспериментов, чтобы проверить работу наночастиц. Вначале их добавили к культуре нейронов, и под действием переменного магнитного поля клетки активировались — это подтвердили с помощью специального белка, который светится при активации нейронов. Контрольные частицы с магнитным ядром, но без пьезоэлектрической оболочки, не вызывали эффекта, что доказало: именно пьезоэлектрик обеспечивает электрическую стимуляцию. Аналогичные результаты получили на срезах гиппокампа и в экспериментах на мышах, где наночастицы закапывали в нос: при наличии пьезоэлектрической оболочки обонятельные нейроны активировались, а без неё — нет. Это подтвердило, что эффект обусловлен особой структурой частиц.
Таким образом, исследователи подтвердили, что магнитоэлектрические частицы под действием переменного магнитного поля создают электричество и активируют нейроны. Этот подход позволяет бесконтактно стимулировать клетки именно там, где это нужно. Локальная стимуляция позволяет ускорить восстановление нервной ткани и повышает эффективность терапии неврологических заболеваний, а также может стать новым способом лечения болезней мозга, таких как эпилепсия, болезни Паркинсона и Альцгеймера, а также нейротравм и психических расстройств. Кроме того, в рамках этой работы авторам удалось показать, что с помощью стимуляции нейронов носовой полости магнитоэлектрическими наночастицами можно управлять транспортом веществ из носа в мозг.
Исследователи отмечают, что в первых экспериментах частицы не были полностью безвредны для клеток, поэтому сейчас ведутся работы по повышению их биосовместимости. Для этого меняют стабилизатор — специальное вещество на поверхности частицы, которое не даёт им слипаться и выпадать в осадок. Важно найти такой состав оболочки, чтобы он не мешал электрической стимуляции и не снижал эффективность захвата частиц клетками. Сейчас главная задача — доказать саму возможность управления транспортом, а уже в будущем сделать частицы максимально безопасными для живых организмов.
«В наших планах — три основных направления. Во-первых, мы сосредоточены на химическом синтезе, чтобы повысить эффективность магнитоэлектрического эффекта. Во-вторых, ведётся поиск стабилизаторов для максимальной биосовместимости наночастиц. В-третьих, мы работаем над оптимизацией способов доставки наночастиц, чтобы обеспечить их точное и эффективное воздействие на отдельные клетки или группы клеток», — поделился Александр Ромащенко.
Текст: Ирина Баранова.
Источник: «Наука в Сибири».