Nanopartikler skaber varme fra lys for at manipulere elektrisk aktivitet i neuroner

Nanomaterialer er blevet brugt i en række nye applikationer, såsom i målrettede lægemidler eller for at styrke andre materialer og produkter såsom sensorer og energihøst- og lagringsenheder. Et hold i McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis bruger nanopartikler som varmelegemer til at manipulere den elektriske aktivitet af neuroner i hjernen og af kardiomyocytter i hjertet.

Fundene, udgivet 3. juli, 2021, i Avancerede materialer , har potentialet til at blive oversat til andre typer excitable celler og tjene som et værdifuldt værktøj inden for nano-neuroengineering.

Srikanth Singamaneni, en materialeforsker, og Barani Raman, en biomedicinsk ingeniør, og deres teams samarbejdede om at udvikle en ikke-invasiv teknologi, der hæmmer den elektriske aktivitet af neuroner ved hjælp af polydopamin (PDA) nanopartikler og nær-infrarødt lys. De negativt ladede PDA nanopartikler, som selektivt binder til neuroner, absorbere nær-infrarødt lys, der skaber varme, som derefter overføres til neuronerne, hæmmer deres elektriske aktivitet.

"Vi viste, at vi kan hæmme aktiviteten af ​​disse neuroner og stoppe deres affyring, ikke kun til og fra, men på en gradueret måde, " sagde Singamaneni, Lilyan &E. Lisle Hughes professor ved Institut for Mekanisk Teknik og Materialevidenskab. "Ved at styre lysintensiteten, vi kan kontrollere neuronernes elektriske aktivitet. Da vi stoppede lyset, vi kan helt bringe dem tilbage igen uden nogen skade."

Ud over deres evne til effektivt at omdanne lys til varme, PDA-nanopartiklerne er meget biokompatible og bionedbrydelige. Nanopartiklerne nedbrydes til sidst, gør dem til et praktisk værktøj til brug i in vitro og in vivo eksperimenter i fremtiden.

Raman, professor i biomedicinsk teknik, sammenligner processen med at tilføje fløde til en kop kaffe.

"Når du hælder fløde i varm kaffe, det opløses og bliver til cremet kaffe gennem diffusionsprocessen, " forklarede han. "Det ligner den proces, der styrer, hvilke ioner der strømmer ind og ud af neuronerne. Diffusion afhænger af temperatur, så hvis du har godt styr på varmen, du styrer diffusionshastigheden tæt på neuronerne. Dette vil igen påvirke cellens elektriske aktivitet. Denne undersøgelse demonstrerer konceptet om, at den fototermiske effekt, omdanne lys til varme, i nærheden af ​​nanopartikler mærkede neuroner kan bruges som en måde at fjernstyre specifikke neuroner."

For at fortsætte kaffeanalogien, holdet har designet et fototermisk skum, der ligner en sukkerterning, danner en tæt population af nanopartikler i tæt emballage, der virker hurtigere end individuelle sukkerkrystaller, der spredes, sagde Raman.

"Med så mange af dem pakket i et lille volumen, skummet er hurtigere til at transducere lys til varme og giver mere effektiv kontrol til kun de neuroner, vi ønsker, " sagde han. "Du behøver ikke bruge højintensiv strøm for at generere den samme effekt."

Ud over, holdet, som inkluderer Jon Silva, lektor i biomedicinsk teknik, anvendte PDA-nanopartiklerne på kardiomyocytter, eller hjertemuskelceller. Interessant nok, den fototermiske proces exciterede kardiomyocytterne, viser, at processen kan øge eller mindske excitabiliteten i celler afhængigt af deres type.

"En celles eller vævs excitabilitet, om det er kardiomyocytter eller muskelceller, afhænger til en vis grad af diffusion, " sagde Raman. "Mens kardiomyocytter har et andet sæt regler, princippet, der styrer følsomheden over for temperatur, kan forventes at være ens."

Nu, holdet ser på, hvordan forskellige typer neuroner reagerer på stimulationsprocessen. De vil målrette bestemte neuroner ved selektivt at binde nanopartiklerne for at give mere selektiv kontrol.