Нейроны под контролем: как создаются наночастицы для неинвазивной электростимуляции нервных клеток

Можно ли бесконтактно управлять активностью нейронов, в том числе в головном мозге? Именно над этой задачей работает коллаборация исследователей из нескольких крупных научных организаций страны. Главный инструмент ученых — биосовместимые наночастицы, способные при введении в организм активировать нервные клетки под действием низкочастотного магнитного поля. В будущем технология может помочь лечить пациентов с различными нарушениями — от болезни Альцгеймера до депрессии. Подробнее об исследованиях корреспонденту «Научной России» рассказали руководитель проекта доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета Роман Викторович Чернозем, директор международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Роман Анатольевич Сурменев, а также старший научный сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН Александр Викторович Ромащенко.

Безопасная альтернатива

По словам Романа Анатольевича Сурменева, мощным импульсом для научно-исследовательских работ в области магнитоэлектрических наноматериалов для нейромодуляции, возглавляемых Романом Викторовичем Черноземом, стал мегагрант Правительства РФ. На эти средства был создан центр «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы», который возглавил Андрей Леонидович Холкин — ученый с мировым именем из Университета Авейру (Португалия), эксперт в области мультиферроиков и наноматериалов для биомедицинского применения и электроники.

Сегодня для электростимуляции нейронов при неврологических заболеваниях используют металлические электроды, имплантируемые хирургическим путем. Но этот метод сопряжен с рисками: занесением инфекции, повреждением тканей вследствие биомеханической несовместимости имплантата и ткани, последующим отторжением. Преодолеть эти риски могут помочь наночастицы. Связываясь вблизи клеточных мембран, они действуют как микроскопические локальные электроды. Это позволяет обеспечить более высокую пространственную точность, чем традиционные громоздкие системы для электростимуляции.

Команда отечественных исследователей работает над более безопасной технологией воздействия на нейроны. Создаваемые ими биосовместимые наночастицы преобразуют воздействие слабого магнитного поля в локализованные электрические импульсы, стимулирующие нервные клетки. Проект объединяет сразу несколько крупных научных организаций, включая Томский политехнический университет (ТПУ), Институт цитологии и генетики СО РАН (ИЦиГ СО РАН), Центр био- и медицинских технологий Сколтеха, Томский государственный университет, Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Федеральное медико-биологическое агентство, ООО «Центр улучшения качества жизни с помощью технологий будущего» и Сычуаньский университет (Китай). Проект реализуется при поддержке Российского научного фонда (№ 24-43-00171).

Союз ядра и оболочки

Основная работа по изучению и получению наноструктур ведется в стенах Томского политехнического университета. Размеры синтезируемых учеными магнитоэлектрических наночастиц не превышают 30 нм — в сотни раз меньше клетки крови. Каждая такая частица включает магнитное ядро из феррита марганца и оболочку из пьезоэлектрического материала — модифицированного титаната бария. Полученные наноструктуры не содержат потенциально токсичные свинец и кобальт, повышающие риск побочных эффектов. Под воздействием магнитного поля частицы усиливают приток ионов кальция (Ca²⁺) в нейроны — процесс, играющий важную роль в работе нервной системы, функционировании памяти и обеспечении нейропластичности.

Секрет наноструктур — в союзе магнитного ядра и пьезоэлектрической оболочки. Ключевая особенность пьезоэлектриков состоит в том, что в ответ на механическое воздействие (сжатие, удар, звуковой импульс) их структура деформируется и материал поляризуется. Если воздействие имеет циклический характер, пьезоэлектрик генерирует электрическое поле, которое помогает наночастицам стимулировать нервные клетки.

Чтобы бесконтактно «включить» пьезоэлектрический материал, можно использовать ультразвук. Но когда наночастицы находятся внутри организма, это не самый безопасный и эффективный способ: ультразвуковые колебания могут перегревать ткани и усиливать их проницаемость, а их действие ослабевает с увеличением расстояния. Применение ультразвука все еще остается одним из вариантов, однако требует отработки специальных условий воздействия.

И здесь в игру вступает магнитное поле, представляющее собой одну из самых перспективных альтернатив ультразвуку. Оно не причиняет вреда здоровью и легко проникает в ткани в определенном диапазоне параметров. Но сама пьезоэлектрическая оболочка не реагирует на магнитное воздействие, поэтому в роли посредника между ними выступает ядро наночастицы. Оно изготовлено из магнитного материала, обладающего свойством магнитострикции — способностью изменять размеры под действием магнитного поля. Когда магнитное ядро деформируется под пьезоэлектрической оболочкой, последняя получает определенный механический импульс и в ответ в результате внутренней поляризации создает на своей поверхности электрическое поле, стимулирующее нейроны.

Подробнее об особенностях наночастиц и технологии их получения рассказал руководитель проекта РНФ кандидат физико-математических наук Роман Викторович Чернозем:

«Суперпарамагнитные ядра из феррита марганца намагничиваются в присутствии внешнего магнитного поля, а после его выключения намагниченность пропадает, что предотвращает слипание (агломерацию) наночастиц. Оболочка из пьезоэлектрического модифицированного титаната бария преобразует механическую деформацию от ядра в электрический сигнал. Вместе они работают как преобразователь магнитного поля в электрические импульсы. Переменное магнитное поле заставляет магнитное ядро деформироваться (эффект магнитострикции). Эта деформация передается на пьезоэлектрическую оболочку, генерирующую локальное электрическое поле (прямой пьезоэффект) прямо на поверхности нейрона. Это поле открывает кальциевые каналы в мембране, и ионы Ca²⁺ устремляются внутрь клетки, что и регистрируется как стимуляция».

Ультратонкая оболочка наночастиц, синтезируемых в Томском политехе, покрывает ядра равномерным тонким слоем. И это важно: в большинстве других исследований она распределяется неравномерно, что снижает эффективность действия частиц. Технология, разработанная учеными ТПУ, позволяет избежать этой проблемы. Более того, цельная оболочка лучше откликается на механический импульс от деформирующегося ядра, а ее небольшая толщина — несколько нанометров — приводит к усилению магнитоэлектрического эффекта.

Нос — ворота в мозг

Наночастицы уже прошли первые испытания на клетках и лабораторных животных. Результаты работы, проведенной учеными ТПУ и ИЦиГ СО РАН, были представлены в журнале Journal of Controlled Release. Ученые последовательно протестировали разработку на культуре нервных клеток, срезах гиппокампа и мышах. В экспериментах использовались две версии наночастиц: с оболочкой и без нее, и во всех случаях нейроны активировал только первый вариант наноструктур, что подтвердило ключевую роль магнитоэлектрического эффекта в стимуляции клеток. В экспериментах на мышах наночастицы вводились животным интраназально (закапывались в нос) и через обонятельные нейроны перемещались в мозг. Таким образом, подобные наноструктуры можно использовать не только для активации нервных клеток, но и для доставки в мозг лечебных препаратов, нагрузив ими частицы.

Деталями экспериментов на живых системах с корреспондентом «Научной России» поделился кандидат биологических наук Александр Викторович Ромащенко:

«Испытания прошли в несколько этапов: сначала мы убедились, что наночастицы безопасны (проведя цитотоксические эксперименты на клетках) и могут активировать нейроны (индуцировать токи ионов кальция на культуре гиппокампальных нейронов). Затем в экспериментах на мышах мы доказали, что частицы проникают из носа в мозг по аксонам нервных клеток, а с помощью слабого магнитного поля этим процессом можно управлять, ускоряя доставку “полезных грузов” (например, белков) прямо в нужные отделы мозга. Интраназальное введение выбрано нами неслучайно. Это единственный путь, позволяющий веществам попасть прямо в мозг в обход гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), который, с одной стороны, защищает мозг, но с другой — мешает доставлять туда лекарства. Нервы, идущие из носа, напрямую соединяют носовую полость с мозгом, и по ним или вдоль них по межклеточному пространству частицы перемещаются в центральную нервную систему (ЦНС). Это самый простой, безопасный и физиологичный способ добраться до ЦНС в обход ГЭБ.

Процесс выглядит максимально просто и безболезненно: мышь фиксируют в положении лежа на животе и с помощью обычной пипетки закапывают по 7 мкл раствора с наночастицами в каждую ноздрю. Это занимает секунды и не требует наркоза.

Другие способы введения (например, уколы в вену) в этом исследовании не применялись. Но в перспективе их можно использовать, если нужно доставить частицы не в мозг, а, скажем, к опухоли в другом органе. Однако именно для доставки в мозг нос — самый прямой и безопасный путь.

При этом, как нам удалось показать, частицы можно вводить и локально — напрямую в периферические нервы или зону травмы. Это особенно перспективно для реабилитации после травм, потому что, как было показано ранее, электрическая стимуляция (которую обеспечивают полученные наночастицы в переменном магнитном поле) значительно ускоряет восстановление нейронов. Наша платформа может быть адаптирована для лечения нейротравм, и общий принцип (управление кальциевым током и аксональным транспортом) работает везде — хоть в головном или спинном мозге, хоть в нервном корешке руки».

Эксперименты на мышах раскрыли еще одну полезную возможность технологии: оказалось, что стимуляция нейронов в носовой полости с помощью наночастиц сама по себе позволяет усиливать транспорт веществ из носа в мозг.

«Обеспечиваемая неинвазивная электростимуляция магнитоэлектрическими наночастицами в слабых магнитных полях открывает кальциевые каналы нейрона. Кальций внутри клетки активирует моторные белки (кинезины и динеины), в результате чего они начинают “бежать” быстрее, увлекая за собой пузырьки с грузом, в роли которого может выступать лекарственный препарат», — пояснил А.В. Ромащенко.

На пути к совершенству

Ученые Томского политеха активно совершенствуют полученные наночастицы. В результате экспериментов исследователи научились управлять структурой пьезоэлектрической оболочки частиц, усилив их воздействие на нервные клетки. Детали работы были представлены в журнале Ceramics International.

«Частицы получают “зеленым” методом микроволнового гидротермального автоклавирования на водных солевых растворах ионов металлов (без токсичных растворителей) в две стадии: сначала синтезируем ядра, а затем на них формируем кристаллическую оболочку модифицированного титаната бария, где ионы бария частично замещены ионами кальция, а ионы титана — ионами циркония (BCZT), — пояснил Р.В. Чернозем. — Ключевой результат этой работы заключается в том, что, варьируя температуру, время синтеза и содержание щелочи, можно менять структуру оболочки и ее дефектность, что влияет на физические свойства магнитоэлектрических наночастиц. Метод считается хорошо воспроизводимым и потенциально масштабируемым, так как не требует высокотемпературного обжига».

Лучшие результаты показали наночастицы, полученные при температуре 185 °С. Они продемонстрировали рекордный магнитоэлектрический эффект для частиц, не содержащих свинец и кобальт. Во время испытаний на культуре нейронов головного мозга эта версия наноструктур в три раза увеличила приток ионов кальция в клетки и активировала на 20% больше нейронов в сравнении с другими частицами-кандидатами. 

«Статья закладывает основу для управления физическими свойствами подобных наногетероструктур с помощью контроля параметров синтеза, а эти свойства уже оказывают прямое влияние на эффективность беспроводной нейростимуляции, как показано в нашем исследовании. В рамках этой работы частицы испытали in vitro на культуре гиппокампальных нейронов. Мы проверяли, насколько хорошо частицы, синтезированные при разных температурах, увеличивают приток ионов кальция в клетки под действием слабого магнитного поля, — отметил Р.В. Чернозем. — В экспериментах мы использовали комбинацию двух полей: переменного поля (до 6 мТл, 50 Гц) для прямой активации частиц и постоянного поля смещения (20 мТл) для усиления магнитоэлектрического отклика».

Взгляд в будущее

Авторы проекта подчеркивают: до использования новых наночастиц в клинике еще далеко. Р.В. Чернозем поясняет, что сначала разработка должна пройти систематические исследования безопасности на животных in vivo.

«Нужно проверить биосовместимость наночастиц с организмом на крупных животных, понять, как частицы выводятся из организма, а также разработать протоколы для клинических испытаний на людях. По самым оптимистичным оценкам, до первых клинических исследований может пройти пять-десять лет, а до появления готовой технологии в медицине — еще больше», — говорит А.В. Ромащенко.

В то же время уже сейчас можно назвать перспективные варианты использования подобных наноразмерных материалов. По словам Р.А. Сурменева, они могут помочь в восстановлении и реабилитации после инсульта, борьбе с нейродегенеративными заболеваниями (болезнями Альцгеймера и Паркинсона), восстановлении нервных волокон, подавлении болей и лечении депрессии.

«Однако данная работа не изучает эти клинические применения, — подчеркивает Р.В. Чернозем, говоря об исследовании в журнале Ceramics International. — Она представляет частицы как доказательную концепцию (proof-of-concept) для беспроводного интерфейса с нейронами. В перспективе такой инструмент может позволить точечно стимулировать нужные участки нервной ткани для решения этих задач, что требует дальнейших исследований».

Как электростимуляция с помощью наночастиц может помочь пациенту в случае с каждым из вышеперечисленных заболеваний? На этот вопрос корреспонденту «Научной России» ответил А.В. Ромащенко.

«Начнем с лечения болей. Обычные обезболивающие действуют на весь организм, в то время как при невралгиях (повреждениях нервов) боль возникает из-за хаотичных, патологических разрядов в конкретном нервном узле (ганглии). Мы можем ввести частицы локально в поврежденный нерв. Под воздействием магнитного поля они будут генерировать электрический потенциал, который нормализует кальциевый поток в узле, подавляя патологическую импульсацию, — объяснил А.В. Ромащенко. — Что касается депрессии, то при этой патологии нарушается активность глубоких структур мозга, например префронтальной коры или гиппокампа. Существует метод глубокой стимуляции мозга (DBS), но он подразумевает нейрохирургическую операцию по вживлению электродов, что рискованно и дорого. Мы можем ввести частицы через нос (они сами доберутся до лимбической системы) и, прикладывая низкочастотное магнитное поле к нужной зоне головы, стимулировать выработку нейротрофических факторов и восстановление нейронных связей в тех зонах, которые молчат (неактивны) при депрессии.

Болезни Альцгеймера и Паркинсона возникают вследствие агломерации в нейронах неправильно свернутых белков (альфа-синуклеина и бета-амилоида), так как нарушается внутренняя клеточная логистика — аксональный транспорт. Митохондрии не добираются до далеких отростков, и клетка умирает от деэнергизации (голода). Электрическая стимуляция усиливает процесс утилизации этих агломератов и доставку факторов роста к отросткам, что значительно увеличивает эффективность терапии и замедляет развитие заболевания.

Если говорить о повреждении нерва, в этом случае погибают аксоны нервных клеток и новому отростку нужно заново прорастать сквозь рубец по 1 мм в день. Часто он не доходит до мышцы, и атрофия сохраняется навсегда. Стимуляция помогает ускорить синтез белка в теле клетки и его транспорт к месту повреждения.

Наконец, в зоне вокруг инсульта (полутени, или пенумбре) нейроны не мертвы, а “обесточены” — у них нет энергии и нарушен ионный баланс. Если их вовремя активировать, они выживут и утраченные функции восстановится. Своевременная электрическая стимуляция способна значительно снизить размер ишемического очага. Кроме того, терапия инсульта требует создания новых связей между сохранившимися участками мозга. Наша технология позволяет делать это прицельно через стимуляцию конкретных нервных цепочек в мозгу. Еще один подход — нагрузка частиц препаратом, разрушающим тромб, и ускорение его транспорта именно к ишемизированной зоне (за счет аксонального транспорта через нос или магнитного притяжения), благодаря чему мы сможем увеличить терапевтическое окно для купирования последствий ишемии».

Текущие планы исследователей охватывают несколько ключевых направлений. Во-первых, ученые работают над улучшением магнитоэлектрического эффекта частиц. Во-вторых, важно повысить биосовместимость наноструктур, для чего требуется выбрать наиболее подходящие составы и поверхностный стабилизатор — вещество, наносимое на поверхность частиц и защищающее их от агломерации и выпадения в осадок. При этом выбранное соединение должно способствовать процессу электростимуляции и проникновению частиц внутрь клеток. Это, в частности, реализуется с использованием искусственного интеллекта и технологий машинного обучения. Отдельное внимание уделяется совершенствованию способов доставки наночастиц в организм для достижения необходимого терапевтического эффекта.

Как отмечает директор международного научного-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Роман Анатольевич Сурменев, магнитные и магнитоэлектрические наночастицы, все чаще называемые умными материалами наряду с биосовместимыми скаффолдами, — одни из самых широко исследуемых объектов исследований в мире. Подобные наноструктуры также высоко востребованы в областях адресной доставки лекарств, терапии и диагностики (тераностики) раковых заболеваний. Они используются в том числе в качестве высококонтрастных агентов для визуализации. Кроме того, магнитоэлектрические двумерные материалы и трехмерные композитные структуры с различными резонансными частотами исследуются в качестве основы для технологий регенерации различных тканей (костной, нервной и т.д.) и беспроводных нейроинтерфейсов (систем, связывающих мозг и компьютер). Последние в перспективе могут обеспечить не только электроактивацию отдельных строго заданных участков головного мозга с высокой пространственной и временной точностью, но и систему обратной связи для корректировки речи и улучшения зрения, а также способствовать очувствлению конечностей при параличе и выполнению других ключевых функций мозга, полностью или частично нарушенных. Одна из основных задач в этой области — отработка обратной связи, что необходимо для коррекции электростимуляции. Однако пока все эти технологии находятся на стадии активных фундаментальных исследований, и только будущее покажет, в каком виде подобные разработки дойдут до практического применения.

Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Источники

Комментарии Р.В. Чернозема и Р.А. Сурменева

Комментарии А.В. Ромащенко

ТПУ. Российские ученые нашли эффективный способ стимуляции нейронов мозга без операции

«Наука в Сибири». Ирина Баранова. Магнитоэлектрические наночастицы помогут лечить болезни мозга 

Источник изображения на главной странице: natalia0103 / фотобанк 123RF. 

Фото на превью: Александр Волков / пресс-служба ТПУ. 

Источники изображений на странице: Александр Волков / пресс-служба ТПУ, из личного архива Александра Ромащенко, natalia0103 / фотобанк 123RF, vadimalekcandr / фотобанк 123RF, juangaertner / фотобанк 123RF.