ساخت دستگاه‌های بی‌سیم کوچک برای درمان بیماری‌ های عصبی

پژوهشگران دانشگاه MIT موفق به ساخت دستگاه‌های بی‌سیم فوق‌العاده کوچک شده‌اند که می‌توانند به طور دقیق دور نورون‌های مغزی پیچیده شوند.

به‌ گزارش تک‌ناک، این فناوری می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا بررسی‌های عمیق‌تری در سطح زیرسلولی انجام دهند و در درمان بیماری‌های عصبی و بازگرداندن برخی از عملکردهای مغزی مؤثر واقع شود.

پژوهشی نوآورانه برای مطالعه مغز

این دستگاه‌های جدید بی‌سیم کوچک که از پلیمر نرم آزوبنزن ساخته شده‌اند، بدون نیاز به باتری و در ابعادی بسیار کوچک و مناسب سطح سلولی طراحی شده‌اند.

این دستگاه‌ها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که می‌توانند به آرامی و با دقت به دور بخش‌های مختلف نورون‌ها مانند: آکسون‌ها و دندریت‌ها پیچیده شوند، بدون اینکه کوچک‌ترین آسیبی به سلول‌ها وارد کنند.

این دستگاه‌های بی‌سیم و آزاد شناور، پس از فعال‌سازی با نور، قادر هستند فعالیت‌های الکتریکی و متابولیکی نورون‌ها را در سطح زیرسلولی اندازه‌گیری و حتی تنظیم کنند.

این پژوهش توسط دبلینا سرکار و با همکاری تیمی از دانشمندان شامل مارتا جِی. آی. ایرگی لکاردی، بنوا اکس. ای. دس‌بیولس، آنا وای. باجو سی. جوی و چن سانگ انجام شده است.

این گروه به تازگی نتایج تحقیق خود را در نشریه Nature Communications Chemistry  منتشر کرده‌اند. سرکار این نوآوری را «سنگ بنای مهمی برای تحقیقات آینده» می‌داند و معتقد است که این دستگاه‌های کوچک، امکان کاوش دقیق سلول‌های مغزی و استفاده در درمان و بازسازی نورون‌ها را فراهم خواهند کرد.

فناوری پوشیدنی در سطح زیرسلولی و درمان بیماری‌های عصبی

این دستگاه‌های بی‌سیم کوچک و آزاد شناور با امکان فعال‌سازی از طریق نور، قابلیت تزریق و استفاده غیرتهاجمی در بدن را دارند.

پژوهشگران معتقد هستند که در آینده هزاران عدد از این دستگاه‌های کوچک را می‌توان به بدن وارد کرد و با استفاده از تابش نور از بیرون بدن، آنها را به دور سلول‌ها پیچاند و کنترل دقیقی بر فرایندهای نورونی برقرار کرد.

یکی از کاربردهای بالقوه این فناوری در درمان بیماری مالتیپل اسکلروزیس (MS) است. بیماری‌ که باعث از بین رفتن لایه‌های میلین (عایق طبیعی نورون‌ها) می‌شود.

این لایه‌ها به آکسون‌ها اجازه می‌دهند تکانه‌های الکتریکی را به طور کارآمد بین نورون‌ها منتقل کنند، اما در بیماران مبتلا به MS از بین می‌روند و امکان بازسازی طبیعی آنها وجود ندارد.

پژوهشگران با توجه به قابلیت این دستگاه‌ها برای ایفای نقش میلین مصنوعی، امیدوار هستند که این فناوری به بازگرداندن فعالیت‌های نورونی و بهبود عملکرد مغزی بیماران مبتلا به MS کمک کند.

امکان ساخت مدارهای ریز برای تحریک سلول‌ها

پژوهشگران برای ساخت این دستگاه‌های کوچک یک روش دقیق طراحی کرده‌اند. ابتدا قطره‌ای از ماده‌ای به نام آزوبنزن را روی یک لایه مخصوص می‌ریزند که در آب حل می‌شود. سپس یک مُهر را روی این قطره پلیمر فشار می‌دهند تا هزاران دستگاه کوچک روی لایه قالب‌گیری شوند.

این روش به آنها امکان می‌دهد ساختارهای پیچیده‌ای مانند مستطیل یا اشکال گل‌مانند بسازند. بعد از تبخیر حلال‌ها در مرحله پخت، از روش اچینگ (روشی برای تغییر سطوح مواد) برای حذف مواد اضافی استفاده می‌کنند و در نهایت با حل کردن لایه مخصوص در آب، هزاران دستگاه میکروسکوپی آزاد می‌شود.

وقتی این دستگاه‌ها در محلول شناور می‌شوند، با استفاده از نور به‌ طور بی‌سیم فعال می‌گردند تا حرکت کنند. پژوهشگران متوجه شدند که این دستگاه‌ها می‌توانند تا چند روز پس از قطع تابش نور، شکل خود را حفظ کنند. همچنین آزمایش‌هایی انجام دادند تا مطمئن شوند این روش برای بدن بی‌ضرر است.

بعد از اینکه محققان توانستند دستگاه‌ها را با نور کنترل کنند، این دستگاه‌ها را روی نورون‌های موش آزمایش کردند. نتایج نشان داد که این دستگاه‌ها می‌توانند به‌ دقت و بدون آسیب به نورون‌ها، دور آکسون‌ها و دندریت‌ها بپیچند.

یکی از پژوهشگران گفت: «برای اینکه دستگاه‌ها بتوانند به سلول‌ها بچسبند، باید نرم و انعطاف‌پذیر باشند تا بتوانند با ساختارهای پیچیده سلول‌ها سازگار شوند. ما در این پروژه این مشکل را حل کردیم و اولین بار نشان دادیم که آزوبنزن می‌تواند به دور سلول‌های زنده پیچیده شود.»

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در توسعه این فناوری، پیدا کردن روشی برای ساخت دستگاه‌ها بود که بتوان آن را به‌ راحتی مقیاس‌پذیر کرد و نیاز به اتاق تمیز نداشته باشد. همچنین ضخامت دستگاه‌ها خیلی مهم بود، چون دستگاه‌های خیلی ضخیم ممکن بود ترک بخورند.

پژوهشگران دستگاه‌ها را با مواد اپتوالکتریکی ترکیب کردند، که می‌توانند سلول‌ها را تحریک کنند. همچنین از مواد به ضخامت اتمی برای ساخت دستگاه‌های الکترونیکی استفاده کردند، که پس از رول شدن به شکل میکروتوبول‌ها، بدون شکستگی باقی بمانند. این ویژگی جدید امکان ادغام حسگرها و مدارهای کوچک در دستگاه‌ها را فراهم می‌کند.

امکان تحریک سلول‌ها با انرژی کم

این دستگاه‌های بی‌سیم کوچک به دلیل اتصال محکم به سلول‌ها، با استفاده از انرژی بسیار کم می‌توانند مناطق زیرسلولی را تحریک کنند. این قابلیت، امکان تنظیم فعالیت‌های الکتریکی نورون‌ها را برای درمان بیماری‌های مغزی فراهم می‌آورند.

سرکار در این باره گفت: «ما با این فناوری نشان دادیم که یک دستگاه مصنوعی می‌تواند به‌ طور دقیق با یک سلول هم‌زیستی داشته باشد. این دستاورد نشان می‌دهد که این فناوری امکان‌پذیر است.»

هدف‌گیری انواع خاص سلول‌ها در پژوهش‌های آینده

پژوهشگران قصد دارند در گام‌های بعدی، دستگاه‌ها را با مولکول‌هایی که امکان هدف‌گیری انواع خاصی از سلول‌ها یا بخش‌های خاصی از سلول‌ها را فراهم می‌کنند، تکمیل نمایند.

این پیشرفت می‌تواند در درمان بیماری‌های مغزی و تنظیم دقیق فعالیت‌های نورونی، تحولی بزرگ ایجاد کند و فصل جدیدی در فناوری‌های پزشکی و بیوالکترونیک بگشاید.