Magnetoelektrische Nanoscheiben bieten eine Fernstimulation des Gehirns ohne Implantate oder genetische Veränderung

Neuartige magnetische Nanoscheiben könnten eine viel weniger invasive Möglichkeit zur Stimulation von Teilen des Gehirns bieten und den Weg für Stimulationstherapien ohne Implantate oder genetische Modifikation ebnen, berichten MIT-Forscher.

Die Wissenschaftler stellen sich vor, dass die winzigen Scheiben mit einem Durchmesser von etwa 250 Nanometern (etwa 1/500 der Breite eines menschlichen Haares) direkt an die gewünschte Stelle im Gehirn injiziert werden. Von dort aus könnten sie jederzeit durch einfaches Anlegen eines Magnetfeldes außerhalb des Körpers aktiviert werden.

Die neuen Partikel könnten schnell Anwendung in der biomedizinischen Forschung finden und schließlich, nach ausreichenden Tests, für klinische Zwecke eingesetzt werden.

Die Entwicklung dieser Nanopartikel wird in der Zeitschrift beschrieben Natur-Nanotechnologiein einem Artikel von Polina Anikeeva, Professorin in den MIT-Abteilungen für Materialwissenschaft und -technik sowie Gehirn- und Kognitionswissenschaften, der Doktorandin Ye Ji Kim und 17 anderen am MIT und in Deutschland.

Die tiefe Hirnstimulation (DBS) ist ein gängiges klinisches Verfahren, bei dem in die Zielhirnregionen implantierte Elektroden zur Behandlung von Symptomen neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit und Zwangsstörungen eingesetzt werden.

Trotz seiner Wirksamkeit begrenzen die chirurgischen Schwierigkeiten und klinischen Komplikationen im Zusammenhang mit DBS die Anzahl der Fälle, in denen ein solch invasiver Eingriff gerechtfertigt ist. Die neuen Nanoscheiben könnten eine viel schonendere Möglichkeit bieten, die gleichen Ergebnisse zu erzielen.

Im letzten Jahrzehnt wurden weitere implantatfreie Methoden zur Hirnstimulation entwickelt. Allerdings waren diese Ansätze oft durch ihre räumliche Auflösung oder die Fähigkeit, tiefe Regionen anzusprechen, begrenzt.

Im letzten Jahrzehnt haben Anikeevas Bioelektronik-Gruppe und andere auf diesem Gebiet magnetische Nanomaterialien verwendet, um entfernte magnetische Signale in die Hirnstimulation umzuwandeln. Diese magnetischen Methoden beruhen jedoch auf genetischen Veränderungen und können nicht beim Menschen angewendet werden.

Da alle Nervenzellen empfindlich auf elektrische Signale reagieren, stellte Kim, eine Doktorandin in Anikeevas Gruppe, die Hypothese auf, dass ein magnetoelektrisches Nanomaterial, das Magnetisierung effizient in elektrisches Potenzial umwandeln kann, einen Weg zur magnetischen Fernstimulation des Gehirns bieten könnte. Die Herstellung eines magnetoelektrischen Materials im Nanomaßstab war jedoch eine gewaltige Herausforderung.

Kim synthetisierte neuartige magnetoelektrische Nanoscheiben und arbeitete mit Noah Kent zusammen, einem Postdoc in Anikeevas Labor mit physikalischem Hintergrund und Zweitautor der Studie, um die Eigenschaften dieser Teilchen zu verstehen.

Der Aufbau der neuen Nanoscheiben besteht aus einem zweischichtigen Magnetkern und einer piezoelektrischen Hülle. Der Magnetkern ist magnetostriktiv, das heißt, er ändert seine Form, wenn er magnetisiert wird. Diese Verformung induziert dann eine Spannung in der piezoelektrischen Hülle, die eine variierende elektrische Polarisation erzeugt.

Durch die Kombination der beiden Effekte können diese Verbundpartikel elektrische Impulse an Neuronen abgeben, wenn sie Magnetfeldern ausgesetzt werden.

Ein Schlüssel zur Wirksamkeit der Scheiben ist ihre Scheibenform. Frühere Versuche, magnetische Nanopartikel zu verwenden, hätten kugelförmige Partikel verwendet, aber der magnetoelektrische Effekt sei sehr schwach gewesen, sagt Kim. Diese Anisotropie verstärkt die Magnetostriktion um mehr als das Tausendfache, fügt Kent hinzu.

Das Team fügte seine Nanoscheiben zunächst kultivierten Neuronen hinzu, was es ihnen ermöglichte, diese Zellen bei Bedarf mit kurzen Magnetfeldimpulsen zu aktivieren. Diese Stimulation erforderte keine genetische Veränderung.

Anschließend injizierten sie kleine Tröpfchen einer magnetoelektrischen Nanoscheibenlösung in bestimmte Regionen des Gehirns von Mäusen. Durch einfaches Einschalten eines relativ schwachen Elektromagneten in der Nähe lösten die Partikel dann einen winzigen Stromstoß in dieser Gehirnregion aus. Durch das Einschalten des Elektromagneten konnte die Stimulation aus der Ferne ein- und ausgeschaltet werden. Diese elektrische Stimulation „hatte Auswirkungen auf die Neuronenaktivität und das Verhalten“, sagt Kim.

Das Team fand heraus, dass die magnetoelektrischen Nanoscheiben eine tiefe Hirnregion, den ventralen Tegmentbereich, stimulieren könnten, der mit Belohnungsgefühlen verbunden ist.

Das Team stimulierte auch einen anderen Gehirnbereich, den Nucleus subthalamicus, der mit der motorischen Kontrolle verbunden ist. „Dies ist die Region, in der normalerweise Elektroden implantiert werden, um die Parkinson-Krankheit zu behandeln“, erklärt Kim. Die Modulation der Motorsteuerung durch die Partikel konnte den Forschern erfolgreich nachgewiesen werden. Konkret konnten die Forscher durch die Injektion von Nanoscheiben nur in eine Hemisphäre bei gesunden Mäusen durch Anlegen eines Magnetfeldes Rotationen induzieren.

Die Nanoscheiben könnten eine neuronale Aktivität auslösen, die mit herkömmlichen implantierten Elektroden vergleichbar ist und eine leichte elektrische Stimulation liefert. Die Autoren erreichten mit ihrer Methode eine zeitliche Präzision im Sekundenbruchteil für die Nervenstimulation, beobachteten jedoch im Vergleich zu den Elektroden deutlich geringere Fremdkörperreaktionen, was möglicherweise eine noch sicherere Tiefenhirnstimulation ermöglicht.

Die vielschichtige chemische Zusammensetzung sowie die physikalische Form und Größe der neuen mehrschichtigen Nanoscheiben machten eine präzise Stimulation möglich.

Während es den Forschern gelungen ist, den magnetostriktiven Effekt zu steigern, erfordert der zweite Teil des Prozesses, die Umwandlung des magnetischen Effekts in eine elektrische Leistung, noch mehr Arbeit, sagt Anikeeva. Während die magnetische Reaktion tausendmal stärker war, war die Umwandlung in einen elektrischen Impuls nur viermal größer als bei herkömmlichen kugelförmigen Partikeln.

„Diese enorme tausendfache Verstärkung führte nicht vollständig zu einer magnetoelektrischen Verstärkung“, sagt Kim. „Hier wird sich ein Großteil der künftigen Arbeit darauf konzentrieren, sicherzustellen, dass die tausendfache Verstärkung der Magnetostriktion in eine tausendfache Verstärkung der magnetoelektrischen Kopplung umgewandelt werden kann.“

Was das Team in Bezug auf die Art und Weise herausfand, wie sich die Formen der Partikel auf ihre Magnetostriktion auswirken, war ziemlich unerwartet. „Das ist etwas Neues, das gerade erst aufgetaucht ist, als wir herauszufinden versuchten, warum diese Teilchen so gut funktionieren“, sagt Kent.

Anikeeva fügt hinzu: „Ja, es ist ein rekordverdächtiges Teilchen, aber es ist nicht so rekordverdächtig, wie es sein könnte.“ Das bleibt ein Thema für weitere Arbeiten, aber das Team hat Ideen, wie weitere Fortschritte erzielt werden können.

Während diese Nanoscheiben prinzipiell bereits in der Grundlagenforschung an Tiermodellen eingesetzt werden könnten, wären für ihre Umsetzung in die klinische Anwendung am Menschen mehrere weitere Schritte erforderlich, darunter groß angelegte Sicherheitsstudien, „worüber akademische Forscher nicht unbedingt am besten aufgestellt sind.“ zu tun“, sagt Anikeeva.

„Wenn wir feststellen, dass diese Partikel in einem bestimmten klinischen Kontext wirklich nützlich sind, dann gehen wir davon aus, dass es einen Weg für strengere Sicherheitsstudien an Großtieren geben wird.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.