February 28, 2024

Οι μαλακές οπτικές ίνες εμποδίζουν τον πόνο κινούμενοι και τεντώνοντας με το σώμα.

Οι μηχανικοί του MIT έχουν αναπτύξει μαλακές, εμφυτεύσιμες ίνες που μπορούν να μεταδώσουν φως στα κύρια νεύρα του σώματος. Όταν αυτά τα νεύρα υποβάλλονται σε γενετική επεξεργασία για να ανταποκρίνονται στο φως, οι ίνες μπορούν να στείλουν παλμούς φωτός στα νεύρα για να αναστείλουν τον πόνο. Οι οπτικές ίνες είναι εύκαμπτες και τεντώνονται με το σώμα.

Οι νέες ίνες προορίζονται να αποτελέσουν ένα πειραματικό εργαλείο που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι επιστήμονες για να εξερευνήσουν τις αιτίες και τις πιθανές θεραπείες των διαταραχών των περιφερικών νεύρων σε ζωικά μοντέλα. Ο πόνος στα περιφερικά νεύρα μπορεί να εμφανιστεί όταν τα νεύρα έξω από τον εγκέφαλο και το νωτιαίο μυελό είναι κατεστραμμένα, προκαλώντας μυρμήγκιασμα, μούδιασμα και πόνο στα προσβεβλημένα άκρα. Η περιφερική νευροπάθεια υπολογίζεται ότι επηρεάζει περισσότερους από 20 εκατομμύρια ανθρώπους στις Ηνωμένες Πολιτείες.

“Οι τρέχουσες συσκευές που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη των νευρικών διαταραχών είναι κατασκευασμένες από άκαμπτα υλικά που περιορίζουν την κίνηση, επομένως δεν μπορούμε να μελετήσουμε πραγματικά τραυματισμό και ανάρρωση του νωτιαίου μυελού εάν υπάρχει πόνος”, λέει ο Siyuan Rao, επίκουρος καθηγητής βιοϊατρικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης . στο Amherst, ο οποίος έκανε μέρος της δουλειάς ως μεταδιδάκτορας στο MIT. «Οι ίνες μας μπορούν να προσαρμοστούν στη φυσική κίνηση και να κάνουν τη δουλειά τους χωρίς να περιορίζουν την κίνηση του θέματος. «Αυτό μπορεί να μας δώσει πιο ακριβείς πληροφορίες».

«Τώρα, οι άνθρωποι έχουν ένα εργαλείο για να μελετούν ασθένειες που σχετίζονται με το περιφερικό νευρικό σύστημα, κάτω από πολύ δυναμικές, φυσικές και απεριόριστες συνθήκες», προσθέτει ο Xinyue Liu PhD ’22, ο οποίος είναι τώρα επίκουρος καθηγητής στο Michigan State University (MSU).

Λεπτομέρειες για τις νέες ίνες της ομάδας του θα αναφερθούν σε μια μελέτη που θα εμφανιστεί στο Μέθοδοι Φύσης. Οι συν-συγγραφείς του MIT του Rao και του Liu περιλαμβάνουν την Atharva Sahasrabudhe, μια μεταπτυχιακή φοιτήτρια χημείας. Xuanhe Zhao, καθηγητής μηχανολογίας και πολιτικής και περιβαλλοντικής μηχανικής. και η Polina Anikeeva, καθηγήτρια επιστήμης και μηχανικής υλικών, μαζί με άλλους στο MSU, στο UMass-Amherst, στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και στα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας.

Πέρα από τον εγκέφαλο

Η νέα μελέτη προέκυψε από την επιθυμία της ομάδας να επεκτείνει τη χρήση της οπτογενετικής πέρα ​​από τον εγκέφαλο. Η οπτογενετική είναι μια τεχνική με την οποία τα νεύρα τροποποιούνται γενετικά για να ανταποκρίνονται στο φως. Η έκθεση σε αυτό το φως μπορεί να ενεργοποιήσει ή να αναστείλει το νεύρο, κάτι που μπορεί να δώσει στους επιστήμονες πληροφορίες για το πώς λειτουργεί το νεύρο και αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του.

Οι νευροεπιστήμονες έχουν εφαρμόσει την οπτογενετική σε ζώα για να εντοπίσουν με ακρίβεια τις νευρικές οδούς που κρύβονται πίσω από μια ποικιλία εγκεφαλικών διαταραχών, όπως ο εθισμός, η νόσος του Πάρκινσον και οι διαταραχές της διάθεσης και του ύπνου, ιδέες που οδήγησαν σε στοχευμένες θεραπείες για αυτές τις καταστάσεις.

Μέχρι σήμερα, η οπτογενετική έχει χρησιμοποιηθεί κυρίως στον εγκέφαλο, μια περιοχή που στερείται υποδοχέων πόνου, επιτρέποντας την σχετικά ανώδυνη εμφύτευση άκαμπτων συσκευών. Ωστόσο, οι άκαμπτες συσκευές μπορούν ακόμα να βλάψουν τους νευρικούς ιστούς. Η ομάδα του MIT αναρωτήθηκε αν η τεχνική θα μπορούσε να επεκταθεί σε νεύρα έξω από τον εγκέφαλο. Όπως συμβαίνει με τον εγκέφαλο και τον νωτιαίο μυελό, τα νεύρα του περιφερικού συστήματος μπορεί να εμφανίσουν μια ποικιλία βλαβών, όπως ισχιαλγία, νόσος του κινητικού νευρώνα και γενικό μούδιασμα και πόνο.

Η οπτογενετική θα μπορούσε να βοηθήσει τους νευροεπιστήμονες να εντοπίσουν συγκεκριμένες αιτίες παθήσεων των περιφερικών νεύρων, καθώς και δοκιμαστικές θεραπείες για την ανακούφισή τους. Αλλά το κύριο εμπόδιο για την εφαρμογή της τεχνικής πέρα ​​από τον εγκέφαλο είναι η κίνηση. Τα περιφερικά νεύρα βιώνουν συνεχείς ωθήσεις και έλξεις από τους περιβάλλοντες μύες και ιστούς. Εάν χρησιμοποιούνταν συσκευές άκαμπτου πυριτίου στην περιφέρεια, θα περιόριζαν τη φυσική κίνηση του ζώου και ενδεχομένως θα προκαλούσαν βλάβη στους ιστούς.

Κρύσταλλοι και φως

Οι ερευνητές προσπάθησαν να αναπτύξουν μια εναλλακτική που θα μπορούσε να λειτουργήσει και να κινηθεί με το σώμα. Ο νέος σχεδιασμός τους είναι μια μαλακή, ελαστική και διαφανής ίνα από υδρογέλη, ένα ελαστικό, βιοσυμβατό μείγμα πολυμερών και νερού, του οποίου την αναλογία προσάρμοσαν για να δημιουργήσουν μικρούς πολυμερικούς κρυστάλλους νανοκλίμακας απλωμένους σε ένα διάλυμα που μοιάζει με ζελατίνη.

Η ίνα αποτελείται από δύο στρώματα: έναν πυρήνα και ένα εξωτερικό στρώμα ή “επένδυση”. Η ομάδα ανακάτεψε τα διαλύματα από κάθε στρώμα για να δημιουργήσει μια συγκεκριμένη κρυσταλλική διάταξη. Αυτή η διάταξη έδωσε σε κάθε στρώμα έναν συγκεκριμένο και διαφορετικό δείκτη διάθλασης και μαζί τα στρώματα εμπόδιζαν το φως που διέσχιζε την ίνα να διαφύγει ή να διασκορπιστεί.

Η ομάδα εξέτασε τις οπτικές ίνες σε ποντίκια των οποίων τα νεύρα ήταν γενετικά τροποποιημένα για να ανταποκρίνονται στο μπλε φως που θα διεγείρει τη νευρωνική δραστηριότητα ή στο κίτρινο φως που θα ανέστειλε τη δραστηριότητά τους. Διαπίστωσαν ότι ακόμη και με την εμφυτευμένη ίνα στη θέση τους, τα ποντίκια μπορούσαν να τρέχουν ελεύθερα σε έναν τροχό. Μετά από δύο μήνες ασκήσεων με τροχούς, που ανέρχονται σε περίπου 30.000 κύκλους, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η ίνα ήταν ακόμα στιβαρή και ανθεκτική στην κόπωση και μπορούσε επίσης να μεταδώσει αποτελεσματικά το φως για να προκαλέσει συστολή των μυών.

Στη συνέχεια, η ομάδα ενεργοποίησε ένα κίτρινο λέιζερ και το πέρασε μέσα από την εμφυτευμένη ίνα. Χρησιμοποιώντας τυπικές εργαστηριακές διαδικασίες για την αξιολόγηση της αναστολής του πόνου, παρατήρησαν ότι τα ποντίκια ήταν πολύ λιγότερο ευαίσθητα στον πόνο από τα τρωκτικά που δεν διεγέρθηκαν με φως. Οι ίνες ήταν σε θέση να αναστέλλουν σημαντικά τον ισχιακό πόνο σε αυτά τα ποντίκια που διεγείρονται από το φως.

Οι ερευνητές βλέπουν τις ίνες ως ένα νέο εργαλείο που μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να εντοπίσουν τις ρίζες του πόνου και άλλες διαταραχές των περιφερικών νεύρων.

«Εστιάζουμε στις ίνες ως μια νέα τεχνολογία νευροεπιστήμης», λέει ο Liu. «Ελπίζουμε να βοηθήσουμε στην ανάλυση των μηχανισμών που κρύβουν τον πόνο στο περιφερικό νευρικό σύστημα. «Με την πάροδο του χρόνου, η τεχνολογία μας μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό νέων μηχανιστικών θεραπειών για τον χρόνιο πόνο και άλλες εξουθενωτικές καταστάσεις όπως ο εκφυλισμός των νεύρων ή ο τραυματισμός».

Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε, εν μέρει, από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, το Γραφείο Ερευνών Στρατού των ΗΠΑ, το Ινστιτούτο McGovern για Έρευνα Εγκεφάλου, το Κέντρο Hock E. Tan και την K Lisa Yang για την Έρευνα για τον Αυτισμό, το K Lisa Yang Brain-Body Center και το Brain and Behavior Research Foundation.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *