Perangkat ini dapat berfungsi sebagai alat yang berharga untuk penelitian biomedis dan mungkin mempunyai potensi untuk aplikasi klinis di masa depan.
Nanodisc magnetik baru dapat memberikan cara yang jauh lebih tidak invasif untuk menstimulasi bagian otak, membuka jalan bagi terapi stimulasi tanpa implan atau modifikasi genetik. DENGAN laporan peneliti.
Para ilmuwan membayangkan bahwa cakram kecil, yang berukuran sekitar 250 nanometer (sekitar 1/500 lebar rambut manusia), akan disuntikkan langsung ke lokasi yang diinginkan di otak. Dari sana, mereka dapat diaktifkan kapan saja hanya dengan menerapkan medan magnet di luar tubuh. Partikel-partikel baru ini dapat dengan cepat diterapkan dalam penelitian biomedis, dan pada akhirnya, setelah pengujian yang memadai, dapat diterapkan untuk penggunaan klinis.
ADVERTISEMENT
SCROLL TO RESUME CONTENT
Perkembangan nanopartikel ini dijelaskan dalam jurnal Nanoteknologi Alamdalam makalah yang ditulis oleh Polina Anikeeva, seorang profesor di departemen Ilmu dan Teknik Material MIT serta Ilmu Otak dan Kognitif, mahasiswa pascasarjana Ye Ji Kim, dan 17 orang lainnya di MIT dan di Jerman.
Stimulasi otak dalam (DBS) adalah prosedur klinis umum yang menggunakan elektroda yang ditanamkan di wilayah otak target untuk mengobati gejala kondisi neurologis dan kejiwaan seperti penyakit Parkinson dan gangguan obsesif-kompulsif. Meskipun efektif, kesulitan pembedahan dan komplikasi klinis yang terkait dengan DBS membatasi jumlah kasus yang memerlukan prosedur invasif. Nanodisc baru dapat memberikan cara yang jauh lebih baik untuk mencapai hasil yang sama.
Tantangan Sebelumnya dengan Metode Stimulasi Non-Invasif
Selama dekade terakhir, metode lain yang bebas implan untuk menghasilkan stimulasi otak telah dikembangkan. Namun, pendekatan ini sering kali dibatasi oleh resolusi spasial atau kemampuan untuk menargetkan wilayah yang dalam. Selama dekade terakhir, kelompok Bioelektronik Anikeeva dan kelompok lain di bidangnya menggunakan bahan nano magnetik untuk mentransduksi sinyal magnetik jarak jauh menjadi stimulasi otak. Namun, metode magnetis ini bergantung pada modifikasi genetik dan tidak dapat digunakan pada manusia.
Karena semua sel saraf sensitif terhadap sinyal listrik, Kim, seorang mahasiswa pascasarjana di kelompok Anikeeva, berhipotesis bahwa bahan nano magnetoelektrik yang secara efisien dapat mengubah magnetisasi menjadi potensial listrik dapat menawarkan jalan menuju stimulasi otak magnetik jarak jauh. Membuat sebuah skala nano Namun, bahan magnetoelektrik merupakan tantangan yang berat.
Kim mensintesis nanodisc magnetoelektrik baru dan berkolaborasi dengan Noah Kent, seorang postdoc di laboratorium Anikeeva dengan latar belakang fisika yang merupakan penulis kedua studi tersebut, untuk memahami sifat-sifat partikel ini.
Struktur nanodisc baru terdiri dari inti magnet dua lapis dan cangkang piezoelektrik. Inti magnet bersifat magnetostriktif, yang berarti berubah bentuk ketika diberi magnet. Deformasi ini kemudian menginduksi regangan pada kulit piezoelektrik yang menghasilkan polarisasi listrik yang bervariasi. Melalui kombinasi kedua efek tersebut, partikel komposit ini dapat menghantarkan pulsa listrik ke neuron saat terkena medan magnet.
Keuntungan Bentuk Cakram dalam Efisiensi Stimulasi
Salah satu kunci efektivitas cakram adalah bentuk cakramnya. Upaya sebelumnya untuk menggunakan nanopartikel magnetik telah menggunakan partikel berbentuk bola, namun efek magnetoelektriknya sangat lemah, kata Kim. Anisotropi ini meningkatkan magnetostriksi lebih dari 1000 kali lipat, tambah Kent.
Tim pertama-tama menambahkan nanodisc mereka ke neuron yang dikultur, yang kemudian memungkinkan untuk mengaktifkan sel-sel ini sesuai permintaan dengan medan magnet pendek. Stimulasi ini tidak memerlukan modifikasi genetik apa pun.
Mereka kemudian menyuntikkan tetesan kecil larutan nanodisc magnetoelektrik ke wilayah tertentu di otak tikus. Kemudian, menyalakan elektromagnet yang relatif lemah di dekatnya akan memicu partikel melepaskan sentakan listrik kecil di wilayah otak tersebut. Stimulasi dapat dihidupkan dan dimatikan dari jarak jauh dengan menyalakan elektromagnet. Stimulasi listrik tersebut “berdampak pada aktivitas neuron dan perilaku,” kata Kim.
Tim menemukan bahwa nanodisc magnetoelektrik dapat menstimulasi wilayah otak bagian dalam, area ventral tegmental, yang berhubungan dengan perasaan penghargaan.
Tim juga menstimulasi area otak lain, inti subthalamic, yang berhubungan dengan kontrol motorik. “Ini adalah wilayah di mana elektroda biasanya ditanamkan untuk menangani penyakit Parkinson,” jelas Kim. Para peneliti berhasil menunjukkan modulasi kontrol motorik melalui partikel. Secara khusus, dengan menyuntikkan nanodisc hanya di satu belahan bumi, para peneliti dapat menginduksi rotasi pada tikus sehat dengan menerapkan medan magnet.
Peningkatan Presisi dan Keamanan Dibandingkan dengan Implan Konvensional
Nanodisc tersebut dapat memicu aktivitas saraf yang sebanding dengan elektroda implan konvensional yang memberikan stimulasi listrik ringan. Para penulis mencapai ketepatan waktu subdetik untuk stimulasi saraf dengan metode mereka namun mengamati penurunan respons benda asing secara signifikan dibandingkan dengan elektroda, sehingga berpotensi memungkinkan stimulasi otak dalam yang lebih aman.
Komposisi kimia berlapis-lapis serta bentuk fisik dan ukuran nanodisc berlapis-lapis yang baru memungkinkan stimulasi yang tepat.
Meskipun para peneliti berhasil meningkatkan efek magnetostriktif, bagian kedua dari proses tersebut, yaitu mengubah efek magnetik menjadi keluaran listrik, masih memerlukan lebih banyak pekerjaan, kata Anikeeva. Meskipun respons magnetiknya seribu kali lebih besar, konversi menjadi impuls listrik hanya empat kali lebih besar dibandingkan dengan partikel bola konvensional.
“Peningkatan besar-besaran sebanyak seribu kali lipat ini tidak sepenuhnya berarti peningkatan magnetoelektrik,” kata Kim. “Di situlah banyak pekerjaan di masa depan akan difokuskan, untuk memastikan bahwa amplifikasi ribuan kali dalam magnetostriksi dapat diubah menjadi amplifikasi seribu kali dalam kopling magnetoelektrik.”
Apa yang ditemukan tim, dalam kaitannya dengan pengaruh bentuk partikel terhadap magnetostriksinya, cukup tidak terduga. “Ini adalah hal baru yang muncul ketika kami mencoba mencari tahu mengapa partikel-partikel ini bekerja dengan sangat baik,” kata Kent.
Anikeeva menambahkan: “Ya, ini adalah partikel yang memecahkan rekor, namun tidak memecahkan rekor yang seharusnya.” Hal ini masih menjadi topik untuk pekerjaan lebih lanjut, namun tim memiliki ide tentang bagaimana membuat kemajuan lebih lanjut.
Meskipun nanodisc ini pada prinsipnya sudah dapat diterapkan pada penelitian dasar dengan menggunakan model hewan, untuk menerjemahkannya ke dalam penggunaan klinis pada manusia akan memerlukan beberapa langkah lagi, termasuk studi keamanan skala besar, “yang merupakan sesuatu yang belum tentu dimiliki oleh para peneliti akademis. yang harus dilakukan,” kata Anikeeva. “Ketika kami menemukan bahwa partikel-partikel ini benar-benar berguna dalam konteks klinis tertentu, maka kami membayangkan bahwa akan ada jalan bagi partikel-partikel ini untuk menjalani studi keselamatan hewan besar yang lebih ketat.”
Referensi: “Nanodisc magnetoelektrik memungkinkan neuromodulasi nirkabel bebas transgen” oleh Ye Ji Kim, Noah Kent, Emmanuel Vargas Paniagua, Nicolette Driscoll, Anthony Tabet, Florian Koehler, Elian Malkin, Ethan Frey, Marie Manthey, Atharva Sahasrabudhe, Cannon, M. Taylor .Keisuke Nagao, David Mankus, Margaret Bisher, Giovanni de Nola, Abigail Lytton-Jean, Lorenzo Signorelli, Danijela Gregurec dan Polina Anikeeva, 11 Oktober 2024, Nanoteknologi Alam.
DOI: 10.1038/s41565-024-01798-9
Tim tersebut terdiri dari para peneliti yang berafiliasi dengan departemen Ilmu dan Teknik Material, Teknik Elektro dan Ilmu Komputer, Kimia, serta Ilmu Otak dan Kognitif di MIT; Laboratorium Penelitian Elektronika; Institut Penelitian Otak McGovern; dan Institut Koch untuk Penelitian Kanker Integratif; dan dari Universitas Friedrich-Alexander Erlangen, Jerman. Pekerjaan ini didukung, sebagian, oleh Institut Kesehatan NasionalPusat Nasional untuk Kesehatan Komplementer dan Integratif, Institut Nasional untuk Gangguan Neurologis dan Stroke, Institut Penelitian Otak McGovern, dan Pusat Terapi Molekuler dalam Ilmu Saraf K. Lisa Yang dan Hock E. Tan.
RakyatPos.ID Network
