Магнитные наночастицы вместо электродов? Новый подход помог вернуть движение мышам с болезнью Паркинсона

Исследование показывает, что глубокие структуры мозга можно стимулировать без постоянных имплантированных электродов — с помощью магнитных наночастиц и внешнего магнитного поля

Почему существующая глубокая стимуляция мозга подходит не всем

Глубокая стимуляция мозга применяется уже десятилетиями и действительно помогает многим пациентам с болезнью Паркинсона, особенно если лекарства перестают эффективно контролировать симптомы.

Но метод имеет очевидные недостатки.

Для операции требуется проникновение электродов в глубокие отделы мозга. Затем пациенту имплантируют генератор импульсов — своеобразный кардиостимулятор для мозга. Со временем батарею приходится менять, возможны инфекции, смещение электродов и повторные операции.

Авторы статьи напоминают, что значительная часть пациентов, которым DBS могла бы помочь, отказывается именно из-за необходимости хирургического вмешательства.

Вместо электричества — крошечные механические силы

Самая необычная часть исследования заключается в том, что ученые вообще отказались от электрической стимуляции.

Они создали дискообразные магнитные наночастицы диаметром около 100 нанометров. После введения в нужную область мозга эти частицы остаются рядом с нервными клетками.

Когда вокруг головы создается слабое переменное магнитное поле, частицы начинают слегка поворачиваться. При этом возникают силы величиной всего несколько пиконьютонов — примерно в триллионы раз меньше силы, с которой человек нажимает пальцем на кнопку.

На первый взгляд кажется невероятным, что столь слабое воздействие вообще может что-то изменить.

Именно здесь находится главный научный инсайт исследования.

Оказывается, нейроны умеют чувствовать прикосновение

Нервные клетки обладают специальными механочувствительными белками — своеобразными молекулярными датчиками давления.

Когда мембрана клетки слегка деформируется, эти белки открываются и позволяют ионам кальция попасть внутрь клетки.

Проще говоря, нейрон воспринимает механическое воздействие как сигнал к активации.

В новой работе ученые использовали именно этот естественный механизм организма, а не пытались подавать электричество извне. Наночастицы лишь слегка подталкивают клеточную мембрану, а дальше нейрон запускает собственные биологические процессы.

Именно это отличает новую технологию от большинства магнитных методов

За последние годы ученые предложили несколько способов магнитной стимуляции мозга.

Во многих из них использовался нагрев тканей или требовалось генетически изменить клетки, чтобы они реагировали на магнитное воздействие.

Новая технология работает иначе.

Она использует уже существующие в мозге механочувствительные каналы Piezo1 и, вероятно, TRPV4. Поэтому не требуется генная модификация клеток, а магнитное поле имеет сравнительно низкую интенсивность. Это делает подход потенциально более совместимым с клиническим применением.

Что показали эксперименты

Исследование проводилось поэтапно.

Сначала ученые убедились, что магнитные наночастицы действительно активируют нейроны в культуре клеток.

Затем аналогичный эффект подтвердился на срезах человеческой мозговой ткани, полученной во время нейрохирургических операций. При воздействии магнитного поля возрастала активность нейронов, что подтверждалось как кальциевой визуализацией, так и экспрессией белка c-Fos — одного из классических маркеров недавней нейрональной активности.

После этого технология была протестирована у живых мышей.

Наночастицы вводили в субталамическое ядро — именно ту область мозга, куда при классической DBS устанавливают электроды.

У мышей с моделью болезни Паркинсона движения действительно улучшились

После включения магнитного поля животные лучше выполняли двигательные тесты.

Исследователи зафиксировали улучшение координации, увеличение длины шага, более устойчивую походку и лучшие результаты на вращающемся стержне (rotarod) — одном из стандартных тестов двигательной функции у лабораторных животных.

Особенно интересно, что эффект наблюдался даже при тяжелой модели болезни Паркинсона, когда примерно 90% дофаминовых нейронов уже были разрушены.

Безопасность пока выглядит обнадеживающей

Еще один важный вопрос — насколько безопасно оставлять наночастицы в мозге.

В ходе экспериментов исследователи не обнаружили признаков выраженного воспаления или токсического воздействия. Частицы сохранялись в ткани мозга несколько месяцев и не вызывали заметной активации микроглии или астроцитов — клеток, которые обычно реагируют на повреждение нервной ткани.

Однако это пока относится только к экспериментам на животных. Для оценки долгосрочной безопасности человеку потребуются значительно более масштабные исследования.

До лечения пациентов еще далеко

Несмотря на впечатляющие результаты, до клинического применения остается несколько важных этапов.

Пока наночастицы все равно вводятся непосредственно в мозг с помощью стереотаксической операции. Исследователи уже работают над возможностью доставки через кровоток с последующим прохождением через гематоэнцефалический барьер, но эта задача пока не решена.

Кроме того, предстоит проверить технологию на крупных животных, изучить многолетнюю безопасность материала и адаптировать магнитные системы для человеческого мозга.

Авторы также рассматривают возможность создания компактных носимых устройств, например повязки на голову, которая могла бы создавать необходимое магнитное поле без громоздкого оборудования. Пока это остается перспективой будущих исследований, а не готовым медицинским устройством.

Почему эта работа важна даже сегодня

Главная ценность исследования — не только в потенциальном лечении болезни Паркинсона.

Оно показывает, что активировать глубокие структуры мозга можно не обязательно электричеством.

Фактически ученые предлагают новую концепцию нейромодуляции: использовать собственные механочувствительные системы нервных клеток и управлять ими дистанционно с помощью магнитных наночастиц.

Если эта технология подтвердит эффективность и безопасность у человека, она может открыть путь к менее инвазивным методам лечения не только болезни Паркинсона, но и других неврологических заболеваний, где сегодня применяется глубокая стимуляция мозга.