Наночастицы создают тепло из света для управления электрической активностью нейронов

Команда из Школы инженерии Маккелви в Университете Вашингтона в Сент-Луисе использует наночастицы в качестве нагревателей для управления электрической активностью нейронов мозга и кардиомиоцитов сердца.

Результаты, опубликованные 3 июля 2021 года в Advanced Materials, могут быть применены к другим типам возбудимых клеток и стать ценным инструментом в нанонейроинженерии.

Принцип работы: свет, тепло и контроль

Исследователи разработали неинвазивную технологию, подавляющую электрическую активность нейронов с помощью наночастиц полидопамина (PDA) и ближнего инфракрасного света.

• Отрицательно заряженные PDA-наночастицы избирательно связываются с нейронами.
• Поглощая ближний инфракрасный свет, частицы генерируют тепло, которое передается нейронам, подавляя их электрическую активность.

«Мы показали, что можем подавлять активность этих нейронов и останавливать их возбуждение не просто "включить-выключить", а градуированно», — пояснил материаловед Шрикант Сингаманени. Контролируя интенсивность света, можно контролировать электрическую активность нейронов. После прекращения освещения активность нейронов полностью восстанавливается без повреждений.

Преимущества и аналогия

PDA-наночастицы не только эффективно преобразуют свет в тепло, но и высокобиосовместимы, биоразлагаемы, что удобно для экспериментов in vitro и in vivo.

Биоинженер Барани Раман сравнивает процесс с добавлением сливок в кофе: «Диффузия зависит от температуры. Если хорошо контролировать тепло, вы контролируете скорость диффузии вблизи нейронов, что, в свою очередь, влияет на электрическую активность клетки».

Для ускорения и эффективности команда создала фотогермальную пену — плотную упаковку наночастиц, подобную сахарному кубику. Она быстрее преобразует свет в тепло и дает более эффективный контроль, чем отдельные частицы, не требуя высокой интенсивности света.

Применение к клеткам сердца

Применение технологии к кардиомиоцитам показало, что фотогермальный процесс может возбуждать эти клетки. Это демонстрирует, что процесс способен как увеличивать, так и уменьшать возбудимость клеток в зависимости от их типа.

Дальнейшие шаги

Сейчас команда изучает, как разные типы нейронов реагируют на стимуляцию, и работает над избирательным связыванием наночастиц с конкретными нейронами для более точного контроля.