В Институте цитологии и генетики (ИЦиГ ) СО РАН научились управлять нанороботами внутри головного мозга

Ученые Института цитологии и генетики СО РАН (ИЦиГ) совместно с коллегами из ТПУ доказали, что наночастицы могут захватываться клетками нейронов в обонятельных луковицах носа. По их словам, движением захваченных частиц можно управлять с помощью переменного магнитного поля, что позволит доставлять их в нужные отделы головного мозга и влиять на его работу, сообщили в пресс-службе организации.

Ранее была опубликована научная статья учёных ИЦиГ в журнале Nano Research:

Quantitative tracking of trans-synaptic nose-to-brain transport of nanoparticles and its modulation by odor, aging, and Parkinson’s disease

https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-022-5302-6

DOI:10.1007/s12274-022-5302-6

Как отметили исследователи, их главной задачей было проверить, будут ли работать магнитоэлектрические нанороботы внутри клеток живого мозга. Во всех предыдущих проектах попытки управлять активностью нейрона с помощью магнитоэлектрических наночастиц осуществлялись снаружи, из внеклеточного пространства.

«Нам впервые в мире удалось показать, что простейшие нанороботы могут проникнуть внутрь нейронов, их перемещением по организму можно эффективно управлять, и они способны влиять на активность клеток изнутри», – рассказал один из участников исследования, старший научный сотрудник ИЦиГ Александр Ромащенко.

В ИЦиГ считают, что результаты исследования могут быть применены в нескольких прикладных медицинских направлениях.

Во-первых, адресная доставка нанороботов в глубокие отделы головного мозга позволит лечить нейродегенеративные заболевания. Известно, что периодическая стимуляция отделов мозга, ответственных за восприятие запахов, эффективна при лечении болезни Паркинсона. Для активации этих нейронов используют различные подходы, например, предъявляют запахи или используют сильные магнитные поля, воздействующие сразу на огромное количество нейронов. С помощью магнитно-электрических нанороботов, по словам ученых ИЦиГ, возможно добиться более выраженного, сфокусированного лечебного эффекта и фактически корректировать работу мозга.

Второй потенциальный способ применения нанороботов – использование их в качестве доставщиков лекарственных препаратов.

В частности, сейчас сотрудники лаборатории генетики лабораторных животных ИЦиГ СО РАН вместе с коллегами изучают возможность доставки лекарств с помощью наночаститц в опухоли головного мозга, которые образуют синаптические контакты с окружающими клетками. По мнению специалистов ИЦиГ, эти контакты можно использовать для неинвазивной адресной доставки препарата внутрь опухолевых клеток.

Также в институте предполагают, что нанороботы могут быть использованы в перспективном направлении современной медицины – терапии нейрорегенеративных процессов для устранения последствий гибели нейронов в результате травм или инсультов.

«Этот подход основывается на помещении в область повреждения недифференцированных стволовых клеток и создании условий, при которых под воздействием локальной электрической стимуляции они более эффективно дифференцируются в нейроны», – подчеркнул Ромащенко.

Простейшие магнитоэлектрические нанороботы, использованные в исследовании, были созданы учеными Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрических материалов» Томского политеха (ТПУ). Эти роботы-частицы способны под воздействием внешнего переменного магнитного поля осуществлять электрическое воздействие на клетку, стимулируя ее активность.

https://vk.cc/cvc23V

Группа ученых из Института цитологии и генетики СО РАН и ряда других научных учреждений провела большое исследование по вопросу того, как наночастицы через нос проникают в обонятельные луковицы и другие структуры мозг, перемещаясь внутри клеток от нейрона к нейрону.

Результаты, полученные в ходе многолетнего исследования, открывают широкие перспективы для медицины

Наноразмерные объекты (наночастицы или НЧ), попадающие воздушным путем из окружающей среды в носовую полость и далее способные перемещаться в головной мозг, достаточно давно вызывают интерес у исследователей всего мира. Известно, что они могут оказывать значительное влияние на состояние здоровья человека. Так, недавно было доказано, что вероятность развития нейродегенеративных патологий (болезни Альцгеймера, Паркинсона и др.) существенно возрастает у людей, проживающих на расстоянии менее 50 метров от транспортных магистралей из-за наличия в воздухе таких НЧ с продуктами выбросов двигателей.

Вместе с тем до сих пор науке было мало известно о том, как именно происходит перемещение НЧ из носовых пазух в отделы головного мозга и биологических факторах, оказывающих влияние на этот процесс. Группа ученых из Института цитологии и генетики СО РАН и ряда других научных учреждений занялась поиском ответов на эти вопросы. Исследование получилось мультидисциплинарным, с использованием методов из разных научных дисциплин. Ведущую роль в проекте сыграли сотрудники Лаборатории генетики лабораторных животных ФИЦ ИЦиГ СО РАН — старший научный сотрудник к.б.н. Александр Ромащенко (биологические эксперименты) и ведущий научный сотрудник Ph.D. (к.б.н.) Юрий Мошкин (математический анализ и моделирование нанотранспорта).

Работа проводилась на базе Центра генетических ресурсов лабораторных животных ФИЦ ИЦиГ СО РАН. На нее ушло несколько лет и наконец этот проект успешно завершен. Результаты работы опубликованы в журнале Nano Research.

DOI:10.1007/s12274-022-5302-6

«Мы подробно описали путь, который НЧ проходят в организме, показали отделы головного мозга, в которых они оседают и обнаружили факторы, которые существенно влияют на протекание этого процесса. Образно говоря, мы составили «атлас» этого «траффика» и нашли инструменты, с помощью которых им можно управлять. Дальнейшее практическое значение этой работы будет определяться тем, что будут «возить» по установленным маршрутам», — рассказал руководитель Центра генетических ресурсов лабораторных животных ФИЦ ИЦиГ СО РАН, д.б.н., профессор Михаил Мошкин.

Полученные результаты имеют очень широкие перспективы для физиологии и медицины.

В частности, экспериментально было доказано, что стимуляция обонятельной системы с помощью различных ароматов, влияет на траекторию движения частиц, значительно расширяя зону их распространения в мозге. Причем, эта зона меняется в зависимости от типа запаха. «Известно, что НЧ могут выступать средством доставки лекарственных соединений непосредственно в те или иные отделы мозга. Использование запаховых стимулов, будет очень полезным при разработке новых подходов к адресной доставке терапевтических препаратов в разные отделы головного мозга», — отметил Михаил Мошкин.

Также ученые в своей работе показали, что НЧ перемещаются в пределах центральной нервной системы внутриклеточно с помощью аксонального транспорта и способны пересекать синаптические контакты. Это открывает возможности создания барьеров на пути попадания в мозг опасных для здоровья НЧ, например, некоторых вирусов.

Полученные результаты могут пригодиться не только в фармакологии и профилактике заболеваний, но и в их диагностике. В ходе исследования было установлено, что процессы старения и нейродегенерации тоже оказывают влияние на распространение НЧ по структурам мозга. А это, по словам ученых, открывает новые возможности для разработки методов диагностирования нейродегенеративных патологий на ранних этапах (что сегодня является практически невозможным, но играет ключевую роль в эффективности терапии таких заболеваний).

«Понимание того, как работает эта транспортная система, позволяет нам управлять ею, блокировать попадание в мозг опасных НЧ, или, если речь идет о лекарствах, делать этот процесс более интенсивным и управляемым. Это и есть, на мой взгляд, главный прикладной результат проделанной работы», — подытожил Михаил Мошкин.

Источник: www.icgbio.ru

Комментарии: