اگر پزشکان می توانستند تراشه های الکترونیکی کوچکی را در مغز کاشته کنند که از طریق یک تزریق ساده به بازو، یک هدف دقیق را به صورت الکتریکی تحریک می کند؟ این می تواند روزی به درمان بیماری های کشنده یا ناتوان کننده مغز کمک کند و در عین حال خطرات و هزینه های مرتبط با جراحی را از بین ببرد.
محققان MIT گام بزرگی در جهت تحقق این سناریو برداشته اند. آنها بیوالکترونیک میکروسکوپی و بی سیم را توسعه داده اند که می تواند از طریق سیستم گردش خون بدن حرکت کند و به طور مستقل در ناحیه هدفی از مغز کاشته شود، جایی که درمان متمرکز را ارائه می دهد.
در مطالعه‌ای روی موش‌ها، محققان نشان دادند که پس از تزریق، این ایمپلنت‌های کوچک می‌توانند بدون نیاز به راهنمایی انسان، منطقه خاصی از مغز را شناسایی کرده و به سمت آن حرکت کنند. هنگامی که آنجا هستند، می توان آنها را به صورت بی سیم فعال کرد تا تحریک الکتریکی را در ناحیه حساس فراهم کند. این نوع تحریک، که به عنوان نورومدولاسیون شناخته می شود، در درمان تومورهای مغزی و همچنین بیماری هایی مانند آلزایمر و مولتیپل اسکلروزیس امیدوار کننده است.
علاوه بر این، از آنجایی که دستگاه‌های الکترونیکی قبل از تزریق با سلول‌های بیولوژیکی زنده ادغام می‌شوند، توسط سیستم ایمنی بدن مورد حمله قرار نمی‌گیرند و می‌توانند از سد خونی-مغزی عبور کنند و آن را دست نخورده نگه دارند. این تضمین می کند که مانع از مغز محافظت می کند.
محققان نشان داده اند که این فناوری که آن را “سیرکولاترونیک” می نامند برای هدف قرار دادن التهاب مغز که عامل مهمی در پیشرفت بسیاری از بیماری های عصبی است، استفاده می شود. آنها نشان می‌دهند که ایمپلنت‌ها می‌توانند نورومدولاسیون موضعی را با دقت بالا، در اعماق مغز، تا چند میکرون ناحیه مورد نظر ارائه دهند.
علاوه بر این، ایمپلنت های زیست سازگار به نورون های اطراف آسیب نمی رسانند.
دبلینا سارکار، دانشیار توسعه شغلی AT&T در آزمایشگاه رسانه MIT و مرکز MIT Engineering-Center Neurobiological of the Neurobiological Neurobiological، می‌گوید در حالی که ایمپلنت‌های مغزی اغلب به صدها هزار دلار هزینه پزشکی و روش‌های جراحی پرخطر نیاز دارند، فناوری سیرکولاترونیک این پتانسیل را دارد که کاشت‌های مغزی درمانی را با از بین بردن نیاز به جراحی در دسترس همگان قرار دهد. آزمایشگاه و نویسنده ارشد یک مطالعه در مورد این مطالعه.
شوبهام یاداو، نویسنده اصلی، دانشجوی کارشناسی ارشد MIT، او را در مقاله همراهی می کند. مانند دیگران در MIT، کالج ولزلی و دانشگاه هاروارد. تحقیق کنید امروز به نظر می رسد بیوتکنولوژی طبیعت.
ایمپلنت های هیبریدی
این تیم بیش از شش سال است که روی سیرکولاترونیک کار می کند. دستگاه‌های الکترونیکی که طول هر یک میلیاردیم دانه برنج است، از لایه‌های پلیمری نیمه‌رسانای آلی تشکیل شده‌اند که بین لایه‌های فلزی قرار گرفته‌اند تا یک ساختار ناهمسان الکترونیکی را تشکیل دهند.
آنها با استفاده از فرآیندهای سازگار با CMOS در تأسیسات MIT.nano ساخته می شوند و سپس با سلول های زنده ادغام می شوند تا هیبریدهای سلولی-الکترونیکی ایجاد کنند. برای انجام این کار، محققان دستگاه‌ها را از ویفر سیلیکونی که روی آن ساخته شده‌اند بلند می‌کنند تا بتوانند آزادانه در یک محلول شناور شوند.
سرکار می‌گوید: «الکترونیک‌ها وقتی به زیرلایه متصل می‌شدند عالی کار می‌کردند، اما وقتی برای اولین بار آنها را برداشتیم دیگر کار نمی‌کردند. بیش از یک سال طول کشید تا این چالش را حل کنیم.»
کلید عملکرد آنها راندمان بالای تبدیل توان بی سیم وسایل الکترونیکی کوچک است. این به دستگاه ها اجازه می دهد تا در اعماق مغز کار کنند و همچنان از انرژی کافی برای تعدیل عصبی استفاده کنند.
محققان از یک واکنش شیمیایی برای اتصال دستگاه های الکترونیکی به سلول ها استفاده می کنند. در مطالعه جدید، آنها الکترونیک را با نوعی سلول ایمنی به نام مونوسیت ترکیب کردند که نواحی ملتهب بدن را هدف قرار می دهد. آنها همچنین از یک رنگ فلورسنت استفاده کردند که به آنها اجازه می داد از سد خونی مغزی دست نخورده عبور کنند و دستگاه های خود کاشته شده را در ناحیه مغز مورد نظر دنبال کنند.
در بررسی التهاب مغز در این مطالعه، محققان امیدوارند از انواع مختلف سلول ها استفاده کنند و سلول ها را برای هدف قرار دادن مناطق خاصی از مغز مهندسی کنند.
سرکار می گوید: “هیبرید الکترونیک سلولی ما تطبیق پذیری الکترونیک را با توانایی سلول های زنده برای انتقال بیولوژیکی و سنجش بیوشیمیایی ترکیب می کند.” سلول‌های زنده وسایل الکترونیکی را استتار می‌کنند تا نتوانند توسط سیستم ایمنی بدن مورد حمله قرار گیرند و بتوانند به طور یکپارچه از طریق جریان خون حرکت کنند.
برای نزدیک به چهار سال، این تیم روش‌های زیادی را برای عبور از سد خونی مغزی به‌طور مستقل و غیرتهاجمی قبل از تکمیل این روش یکپارچه‌سازی سلولی آزمایش کرد.
علاوه بر این، از آنجایی که دستگاه های سیرکولاترونیک بسیار کوچک هستند، حساسیت بسیار بالاتری نسبت به الکترودهای سنتی دارند. آنها می توانند خود کاشته شوند و باعث ایجاد میلیون ها مکان تحریک میکروسکوپی می شوند که شکل دقیق ناحیه مورد نظر را می گیرند.
اندازه کوچک آنها همچنین به دستگاه های زیست سازگار اجازه می دهد تا بدون ایجاد اثرات مضر در کنار نورون ها زندگی کنند. از طریق یک سری آزمایش های زیست سازگاری، محققان دریافتند که سیرکولاترونیک می تواند به طور ایمن بین نورون ها ادغام شود، بدون اینکه بر فرآیندهای مغز در پشت شناخت یا حرکت تأثیر بگذارد.
هنگامی که دستگاه‌ها در محل مورد نظر خود کاشته می‌شوند، یک پزشک یا محقق از یک فرستنده خارجی برای ارسال امواج الکترومغناطیسی به شکل نور مادون قرمز نزدیک استفاده می‌کند که به فناوری نیرو می‌دهد و تحریک الکتریکی نورون‌ها را ممکن می‌سازد.
هدف بیماری های کشنده
آزمایشگاه سرکار در حال حاضر در حال توسعه فناوری های خود برای درمان بسیاری از بیماری ها از جمله سرطان مغز، بیماری آلزایمر و دردهای مزمن است.
اندازه کوچک و قابلیت‌های خود کاشت دستگاه‌های Circulatronics می‌تواند آنها را برای درمان سرطان‌های مغز مانند گلیوبلاستوما، که باعث ایجاد تومور در مکان‌های مختلف می‌شود و برخی از آنها ممکن است برای شناسایی با تکنیک‌های تصویربرداری بسیار کوچک باشند، مناسب کند. آنها همچنین ممکن است راه‌های جدیدی برای درمان سرطان‌های کشنده‌ای مانند گلیوم پونتین داخلی منتشر کنند، یک نوع تومور تهاجمی که در ساقه مغز یافت می‌شود و اغلب با جراحی قابل برداشتن نیست.
سرکار می‌گوید: «این یک فناوری پلت‌فرم است و می‌توان از آن برای درمان چندین بیماری مغزی و بیماری‌های روانی استفاده کرد. همچنین، این فناوری تنها به مغز محدود نمی شود، بلکه می تواند در آینده به سایر قسمت های بدن نیز گسترش یابد.
محققان امیدوارند که از طریق طرحی که اخیراً راه اندازی شده است، این فناوری را به آزمایشات بالینی طی سه سال آینده منتقل کنند Cahira Technologies.
آنها همچنین در حال بررسی ادغام مدارهای نانوالکترونیکی اضافی در دستگاه های خود هستند تا قابلیت هایی مانند حس کردن، بازخورد مبتنی بر تجزیه و تحلیل داده های مبتنی بر تراشه و ایجاد نورون های الکترونیک مصنوعی را فعال کنند.
سرکار می‌گوید: “دستگاه‌های الکترونیکی کوچک ما به‌طور یکپارچه با نورون‌ها ادغام می‌شوند و با سلول‌های مغزی زندگی می‌کنند و یک همزیستی منحصربه‌فرد مغز و رایانه ایجاد می‌کنند. ما به طور خاص در حال کار برای استفاده از این فناوری برای درمان بیماری‌های عصبی در مواردی که داروها یا درمان‌های استاندارد شکست خورده‌اند، برای کاهش رنج انسان‌ها و تصور آینده‌ای که در آن مردم می‌توانند فراتر از بیماری و محدودیت‌های بیولوژیکی حرکت کنند، کار میکنیم.”