Nowatorskie, przewodzące prąd elektryczny rusztowanie hydrożelowe, które wspiera różnicowanie neuronów

Interfejsy mózg-komputer (BCI) są obecnie gorącym tematem, a firmy takie jak Neuralink ścigają się w tworzeniu urządzeń łączących ludzkie mózgi z maszynami. Przez Wszczepione małe elektrody. Potencjalne korzyści BCI obejmują poprawę monitorowania aktywności mózgu u pacjentów z problemami neurologicznymi, przywracanie wzroku osobom niewidomym, a także umożliwienie ludziom kontrolowania maszyn za pomocą wyłącznie naszych mózgów. Ale główną przeszkodą w rozwoju tych urządzeń są same elektrody – muszą przewodzić prąd, więc prawie wszystkie są wykonane z metalu. Metale nie są najbardziej odpowiednim materiałem dla mózgu, ponieważ są twarde i sztywne i nie odtwarzają fizycznego środowiska, w którym normalnie rosną komórki mózgowe.

Ten problem ma teraz rozwiązanie w nowym typie przewodzącego prąd elektryczny rusztowania hydrożelowego opracowanego w Wyss Institute na Uniwersytecie Harvarda, Szkole Inżynierii i Nauk Stosowanych im. Johna A. Paulsona (SEAS) oraz Massachusetts Institute of Technology. Rusztowanie nie tylko naśladuje porowate miękkie warunki tkanki mózgowej, ale wspiera wzrost i różnicowanie ludzkich progenitorowych komórek nerwowych (NPC) w kilka różnych typów komórek mózgowych przez okres do 12 tygodni. Zgłoszono osiągnięcie Zaawansowane materiały medyczne.

To przewodzące rusztowanie na bazie hydrożelu ma ogromny potencjał. Nie można go używać tylko do badania powstawania ludzkich sieci neuronowych w laboratorium, Może również umożliwić tworzenie bioimplantowalnych hybrydowych BCI, które płynniej integrują się z tkanką mózgową pacjenta, poprawiając jego wydajność i zmniejszając ryzyko infekcji”.

Dr Christina Tringidis, starszy autor, była doktorantka w Wyss i SEAS, a obecnie adiunkt w ETH Zürich

Od jednego, wielu

Tringides i jej zespół stworzyli pierwszą elektrodę na bazie hydrożelu w 2021 r., kierując się pragnieniem stworzenia bardziej miękkich elektrod, które mogą „płynąć”, obejmując naturalne krzywizny, zakamarki i zakamarki mózgu. Podczas gdy zespół wykazał, że ich elektroda jest wysoce kompatybilna z tkanką mózgową, wiedzieli, że materiałem najbardziej kompatybilnym z żywymi komórkami są inne komórki. Postanowili spróbować zintegrować żywe komórki mózgowe z samą elektrodą, co mogłoby umożliwić wszczepionej elektrodzie przekazywanie impulsów elektrycznych do mózgu pacjenta. Przez Bardziej naturalna łączność komórkowa.

Aby uczynić hydrożel przewodzący bardziej komfortowym miejscem do życia dla komórek, do procesu produkcyjnego dodali etap liofilizacji. Kryształy lodu utworzone podczas liofilizacji zmusiły hydrożel do koncentracji w pustkach wokół kryształów. Gdy kryształki lodu wyparowały, pozostawiły pory otoczone przewodzącym hydrożelem, tworząc porowate rusztowanie. Taka struktura zapewniła komórkom dużą powierzchnię do wzrostu, a elementy przewodzące prąd elektryczny tworzyły ciągłą ścieżkę przez hydrożel, dostarczając impulsy do wszystkich komórek.

Naukowcy zmienili receptury swoich hydrożeli, aby stworzyć rusztowania, które są albo lepkiej gumy (jak Jell-O), albo elastyczne (jak gumka), miękkie lub sztywne. Następnie wyhodowali ludzkie neuronalne komórki progenitorowe (NPC) na tych rusztowaniach, aby zobaczyć, która kombinacja właściwości fizycznych najlepiej wspiera wzrost i rozwój neuronów.

Komórki hodowano na żelach, które miały lepkosprężyste i bardziej miękkie siatki niż struktury podobne do sieci na rusztowaniu i różnicowały się w kilka innych typów komórek po pięciu tygodniach. Natomiast komórki hodowane na elastycznych żelach tworzyły grudki składające się głównie z niezróżnicowanych NPC. Zespół zmienił również ilość materiału przewodzącego w hydrożelu, aby zobaczyć, jak wpłynęło to na wzrost i rozwój neuronów. Im bardziej przewodzące jest rusztowanie, tym bardziej komórki tworzą rozgałęzione sieci (tak jak robią na żywo) zamiast aglomeratów.

Następnie naukowcy przeanalizowali różne typy komórek, które rozwinęły się w ich hydrożelowych rusztowaniach. Odkryli, że astrocyty, które wspierają neurony zarówno fizycznie, jak i fizycznie, tworzyły swoje charakterystyczne długie wypustki, gdy wzrastały na żelach lepkosprężystych i elastycznych, a było ich znacznie więcej, gdy żele lepkosprężyste zawierały więcej materiału przewodzącego. W rusztowaniach obecne były również oligodendrocyty tworzące osłonkę mielinową izolującą aksony neuronów. Na żelach lepkosprężystych było więcej całkowitej mieliny i dłuższych segmentów mieliny niż na żelach lepkosprężystych, a grubość mieliny wzrastała, gdy w żelach było więcej materiału przewodzącego.

opór elektryczny

Na koniec zespół zastosował stymulację elektryczną do żywych komórek ludzkich Przez materiałów przewodzących w rusztowaniu hydrożelowym, aby zobaczyć, jak to wpłynęło na wzrost komórek. Komórki rażono prądem przez 15 minut, codziennie lub co drugi dzień. Po ośmiu dniach rusztowania, które codziennie poddawano pulsowaniu, miały bardzo mało żywych komórek, podczas gdy te, które poddawano pulsowaniu co drugi dzień, były pełne żywych komórek na całym rusztowaniu.

Po tym okresie stymulacji komórki pozostawiono na rusztowaniach na 51 dni. Nieliczne komórki pozostające w codziennie stymulowanych rusztowaniach nie różnicowały się w inne typy komórek, podczas gdy rusztowania co drugi dzień zawierały wysoce zróżnicowane neurony i astrocyty z wydłużonymi wypustkami. Różnica w testowanych impulsach elektrycznych nie wydawała się mieć wpływu na ilość mieliny obecnej w żelach.

„Udane różnicowanie ludzkich NPC w wiele rodzajów komórek mózgowych w naszych rusztowaniach jest potwierdzeniem, że przewodzący hydrożel zapewnia im odpowiednie środowisko do wzrostu”. w laboratorium”- powiedział starszy autor, dr Dave Mooney, główny członek wydziału w Instytucie Wyss. Obserwowanie mielinizacji na aksonach neuronów było szczególnie ekscytujące, ponieważ odtworzenie jej w żywych modelach mózgu stanowi ciągłe wyzwanie. Mooney jest także profesorem bioinżynierii rodziny Roberta P. Pinkasa w SEAS.

Tringides kontynuuje prace nad przewodzącymi rusztowaniami hydrożelowymi, planując dalsze badanie wpływu różnych rodzajów stymulacji elektrycznej na różne typy komórek oraz opracowanie bardziej wszechstronnego w laboratorium Model. Ma nadzieję, że ta technologia kiedyś umożliwi stworzenie urządzeń, które pomogą przywrócić funkcje ludzkim pacjentom z problemami neurologicznymi i fizjologicznymi.

„Ta praca stanowi duży postęp w tworzeniu pliku w laboratorium Mikrośrodowisko o odpowiednich właściwościach fizycznych, chemicznych i elektrycznych, które wspiera wzrost i specjalizację ludzkich komórek mózgowych. Model ten można wykorzystać do przyspieszenia procesu poszukiwania skutecznych metod leczenia chorób neurologicznych, a także do otwarcia zupełnie nowego podejścia do tworzenia bardziej wydajnych elektrod i interfejsów mózg-maszyna, które płynnie integrują się z tkanką nerwową. Jesteśmy podekscytowani widząc, dokąd prowadzi ta innowacyjna integracja materiałoznawstwa, biomechaniki i inżynierii tkankowej w przyszłości, powiedział Don Ingber, dyrektor-założyciel Wyss Institute, MD. Yehuda Volkman jest profesorem biologii naczyń w Harvard Medical School i Boston Children’s Hospital, W Hansjörg Wyss profesor bioinżynierii w SEAS.

Dodatkowi autorzy to Margoline Bollinger z SEAS, Andrew Khalil z Wyss Institute i Whitehead Institute w MIT, Tenzin Lungjangwa z Whitehead Institute oraz Rudolf Jaenisch z Whitehead Institute i MIT.