Implantat til bedre at spore hjernekemikalier, der er gået useriøst efter neurotrauma

Dine chancer for at få en grim migrænestigning efter en rygmarvsskade, takket være en kemisk messenger i hjernen, der spidser til toksiske niveauer, tidligere undersøgelser har foreslået.

For at behandlingen skal blive bedre, forskere har brug for at fange den splitsekunders stigning i aktion og nøje følge dens ødelæggelsesvej.

Ingeniører fra Purdue University har bygget en lille, fleksibel sensor, der er hurtigere og mere præcis end tidligere forsøg på at spore dette kemikalie, kaldet glutamat. Sensoren, en implanterbar enhed på rygmarven, er primært et forskningsværktøj til test i dyremodeller, men kunne finde fremtidig klinisk brug som en måde at overvåge, om et lægemiddel til neurotrauma eller hjernesygdom virker.

Gruppens arbejde optræder i et kommende nummer af Biosensorer og bioelektronik .

"Når du føler at du har feber, det er ligegyldigt, når du tjekker din temperatur - det vil sandsynligvis være det samme i flere timer. Men en glutamatpike er så hurtig, at hvis du ikke fanger den i det øjeblik, du går glip af hele muligheden for at få data, "sagde Riyi Shi, professor i neurovidenskab og biomedicinsk teknik i Purdues Institut for Grundlæggende Medicinske Videnskaber, College of Veterinary Medicine og Weldon School of Biomedical Engineering.

Indvirkning, såsom fra en bilulykke eller tackling i fodbold, kan skade rygmarven - også skade nervestrukturer, der transporterer glutamat, som sender signaler til ophidselse af nervevæv til udførelse af funktioner som at lære og huske.

Beskadigede nervestrukturer betyder, at masser af glutamat lækker ud i rum uden for celler, overspændende og ødelægger dem. Hjernesygdomme, herunder Alzheimers og Parkinsons, viser også forhøjede niveauer af glutamat.

Enheder hidtil har enten ikke været følsomme nok til at detektere glutamat, hurtig nok til at fange sin stigning eller overkommelig nok til langsigtede forskningsprojekter.

Purdue-forskere behandler disse spørgsmål gennem implanterbare sensorer, at de har 3D-printet og lasermikromaskineret-processer, der allerede bruges regelmæssigt i laboratoriet og industrien.

"Vi ønskede at skabe en billig og meget hurtig måde at bygge disse sensorer på, så vi let kan give forskere et middel til at måle glutamatniveauer in vivo, "sagde Hugh Lee, en Purdue -adjunkt i biomedicinsk teknik, der fokuserer på implanterbare mikroteknologier.

Teknikken giver forskere mulighed for hurtigt at ændre størrelsen, sensorernes form og orientering og derefter teste i dyremodeller uden at skulle gennemgå den dyrere mikrofabriceringsproces.

Måling af niveauer in vivo ville hjælpe forskere med at undersøge, hvordan rygmarvsskader sker, samt hvordan hjernesygdomme udvikler sig.

"Hvor stort et problem er en migræne? Er for meget glutamat virkelig bag smerterne, eller er det, at systemet, der renser glutamat, er nede? "sagde Shi.

Forskerne implanterede enheden i rygmarven på en dyremodel og skadede derefter snoren for at observere en pigg. Enheden fangede spidsen med det samme, der henviser til, at for nuværende enheder, forskere har måttet vente 30 minutter på at få data efter at have beskadiget rygmarven.

I fremtiden, forskerne planlægger at skabe en måde, hvorpå biosensorerne kan klare sig selv for inflammatoriske celler, som kroppen rekrutterer for at beskytte sig selv. Disse celler danner typisk en fibrøs kapsel omkring biosensoren, hvilket blokerer dens følsomhed.

Teknologien kan også muliggøre implantation af flere sensorer langs rygmarven, som ville hjælpe forskere med at vide, hvor langt glutamat spredes, og hvor hurtigt.

Forskerne har indgivet en patentansøgning for denne enhed til Purdue Research Foundation Office of Technology Commercialization. Arbejdet blev støttet af Global Research Outreach -programmet fra Samsung Advanced Institute of Technology, National Institutes of Health, og sponsoreret delvist af National Science Foundation under bevilling CNS-1726865.