I ricercatori del MIT riferiscono che i nuovi nanodischi magnetici potrebbero rappresentare un modo molto meno invasivo per stimolare parti del cervello, aprendo la strada a terapie di stimolazione senza impianti o modifiche genetiche.
I nuovi nanodischi magnetici potrebbero diventare strumenti preziosi nella ricerca e nel trattamento neurologico
Gli scienziati hanno ipotizzato che i nanodischi magnetici, che sono larghi circa 250 nanometri (circa 1/500 della larghezza di un capello umano), verrebbero iniettati direttamente nella posizione desiderata nel cervello. Da lì, potrebbero essere attivati in qualsiasi momento semplicemente applicando un campo magnetico all’esterno del corpo.
Le nuove particelle potrebbero trovare rapidamente applicazione nella ricerca biomedica e, in seguito, dopo sufficienti test, potrebbero essere impiegate anche in applicazioni cliniche.
Lo sviluppo di queste nanoparticelle è stato descritto sulla rivista Nature Nanotechnology, in un articolo di Polina Anikeeva, Professoressa presso i dipartimenti di Scienza e ingegneria dei materiali e Scienze cognitive e del cervello del MIT, dal ricercatore Ye Ji Kim e di altre 17 persone del MIT e in Germania.
Lo studio
La stimolazione cerebrale profonda (DBS) è una comune procedura clinica che utilizza elettrodi impiantati nelle regioni cerebrali bersaglio per trattare i sintomi di condizioni neurologiche e psichiatriche come il morbo di Parkinson e il disturbo ossessivo-compulsivo.
Nonostante la sua efficacia, la difficoltà chirurgica e le complicazioni cliniche associate alla DBS limitano il numero di casi in cui è giustificata una procedura così invasiva. I nuovi nanodischi magnetici potrebbero fornire un modo molto più benigno per ottenere gli stessi risultati.
Negli ultimi dieci anni sono stati sviluppati altri metodi senza impianto per produrre stimolazione cerebrale. Questi approcci tuttavia erano spesso limitati dalla loro risoluzione spaziale o dalla capacità di colpire regioni profonde.
Negli ultimi dieci anni, il gruppo di bioelettronica di Anikeeva e altri nel settore hanno utilizzato nanodischi magnetici per trasformare segnali magnetici remoti in stimolazione cerebrale. Tuttavia, questi metodi magnetici si basavano su modifiche genetiche e non possono essere utilizzati negli esseri umani.
Poiché tutte le cellule nervose sono sensibili ai segnali elettrici, Kim ha ipotizzato che un nanomateriale magnetoelettrico in grado di convertire in modo efficiente la magnetizzazione in potenziale elettrico potrebbe offrire una via verso la stimolazione cerebrale magnetica a distanza. Creare un materiale magnetoelettrico su scala nanometrica è stata, tuttavia, una ricerca stimolante.
Kim ha sintetizzato i nuovi nanodischi magnetici e ha collaborato con Noah Kent, un ricercatore nel laboratorio di Anikeeva con una formazione in fisica e secondo autore dello studio, per comprendere le proprietà di queste particelle.
La struttura dei nuovi nanodischi magnetici è composta da un nucleo magnetico a due strati e da un guscio piezoelettrico. Il nucleo magnetico è magnetostrittivo, il che significa che cambia forma quando viene magnetizzato.
Questa deformazione induce quindi una deformazione nel guscio piezoelettrico che produce una polarizzazione elettrica variabile. Attraverso la combinazione dei due effetti, queste particelle composite possono fornire impulsi elettrici ai neuroni quando esposti a campi magnetici.
Una chiave per l’efficacia dei dischi è la loro forma. I precedenti tentativi di usare nanoparticelle magnetiche avevano usato particelle sferiche, ma l’effetto magnetoelettrico era molto debole. Questa anisotropia aumenta la magnetostrizione di oltre 1000 volte, aggiunge Kent.
Il team ha prima aggiunto i propri nanodischi magnetici ai neuroni coltivati, il che ha permesso loro di attivare queste cellule su richiesta con brevi impulsi di campo magnetico. Questa stimolazione non ha richiesto alcuna modifica genetica.
Successivamente i ricercatori hanno iniettato piccole goccioline di soluzione di nanodischi magnetoelettrici in regioni specifiche del cervello dei topi. Quindi, semplicemente accendendo un elettromagnete relativamente debole nelle vicinanze, le particelle hanno rilasciato una piccola scossa di elettricità in quella regione del cervello.
La stimolazione poteva essere accesa e spenta a distanza tramite la commutazione dell’elettromagnete. Quella stimolazione elettrica: “Aveva un impatto sull’attività dei neuroni e sul comportamento“, ha spiegato Kim.
Il team ha scoperto che i nanodischi magnetici potrebbero stimolare una regione profonda del cervello, l’area tegmentale ventrale, associata alle sensazioni di ricompensa. Il team ha stimolato anche un’altra area del cervello, il nucleo subtalamico, associato al controllo motorio.
“Questa è la regione in cui solitamente vengono impiantati gli elettrodi per gestire il morbo di Parkinson“, ha aggiunto Kim. I ricercatori sono stati in grado di dimostrare con successo la modulazione del controllo motorio attraverso le particelle. In particolare, iniettando nanodischi solo in un emisfero, i ricercatori hanno potuto indurre rotazioni in topi sani applicando un campo magnetico.
I nanodischi potrebbero innescare l’attività neuronale paragonabile agli elettrodi impiantati convenzionali che forniscono una lieve stimolazione elettrica. Gli autori hanno raggiunto una precisione temporale subsecondaria per la stimolazione neurale con il loro metodo, ma hanno osservato risposte di corpi estranei significativamente ridotte rispetto agli elettrodi, consentendo potenzialmente una stimolazione cerebrale profonda ancora più sicura.
Conclusioni
Sebbene questi nanodischi magnetici potrebbero in linea di principio essere già applicati alla ricerca di base utilizzando modelli animali, per tradurli in uso clinico sugli esseri umani sarebbero necessari diversi altri passaggi, tra cui studi sulla sicurezza su larga scala: “Cosa che i ricercatori accademici non sono necessariamente nella posizione migliore per farlo“, ha affermato Anikeeva.
“Quando scopriamo che queste particelle sono davvero utili in un particolare contesto clinico, allora immaginiamo che ci sarà un percorso per sottoporle a studi più rigorosi sulla sicurezza degli animali di grandi dimensioni”, ha concluso.
