Większa skuteczność stymulacji elektrycznej w leczeniu udaru mózgu dzięki elektrodom nanostrukturalnym
Udar niedokrwienny, który jest drugą główną przyczyną niepełnosprawności, jest powodowany przez powstanie zakrzepów krwi w tętnicach, które zmniejszają ilość tlenu dostarczanego do mózgu. Związane z nim koszty opieki zdrowotnej w Europie wynoszą 64,1 mld EUR rocznie, jednak nie opracowano scenariuszy postępowania klinicznego o przewidywalnym punkcie końcowym. Aby zaradzić tej sytuacji, w ramach finansowanego ze środków UE w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) projektu NeuPES zbadano potencjał zastosowania stymulacji elektrycznej w rekonwalescencji po udarze. Kluczem do sukcesu podejścia przyjętego w projekcie jest zaprojektowanie efektywnych elektrod (patrz zdjęcie powyżej) na poziomie nanomolekularnym.
Przewaga nieuporządkowania nad prostotą
José Miguel García-Martín, główny badacz projektu NeuPES i naukowiec w Hiszpańskiej Krajowej Radzie ds. Badań Naukowych wyjaśnia: „Dzięki połączeniu inżynierii i neurobiologii opracowaliśmy, scharakteryzowaliśmy i przetestowaliśmy nanostrukturalne elektrody wykonane z tytanu, złota i platyny w postaci zestawów pochylonych nanokolumn. Zaletą tych nanostruktur, w przeciwieństwie do elektrod cienkowarstwowych, jest przede wszystkim większa powierzchnia, a to poprawia właściwości elektryczne – zmniejsza impedancję i zwiększa zdolność do podania ładunku”. Ale korzyści nie kończą się na lepszych właściwościach elektrycznych. Zespół wytworzył nanokolumny przy użyciu osadzania kątowego za pomocą napylania magnetronowego(odnośnik otworzy się w nowym oknie), techniki przyjaznej środowisku i powszechnie stosowanej w przemyśle, dzięki czemu podejście to można zastosować na większą skalę. Ponadto, jak wyjaśnia Sahba Mobini, stypendystka działania „Maria Skłodowska-Curie”, „ze względu na dużą powierzchnię nanostrukturalnych elektrod podczas dostarczania pożądanego ładunku do układu, unikamy nieodwracalnych reakcji faradycznych, które są odpowiedzialne za erozję elektrod, rozpad wody i wytwarzanie toksycznych produktów ubocznych”. Nanostrukturalne elektrody mogą również podawać większy ładunek do układu (większe natężenie) w bezpiecznym zakresie potencjałów, w porównaniu z prostymi elektrodami cienkowarstwowymi z tego samego metalu. Właściwość ta ma kluczowe znaczenie zarówno w zastosowaniach in vitro, jak i in vivo, z punktu widzenia przeprowadzania właściwie dobranej, skutecznej i bezpiecznej stymulacji.
Rozszerzenie modelu na potrzeby badań neurobiologicznych
Na podstawie tych wyników zespół zaprojektował kompatybilne z metodami obrazowania miniaturowe urządzenie do elektrycznej stymulacji komórek in vitro. Jest to korzystne dla badań neurobiologicznych, w których zasoby, takie jak komórki i czynniki wzrostu, są często ograniczone, a przy przeprowadzeniu doświadczeń i obrazowaniu in situ potrzebne są liczne powtórzenia. Korzystając z modelu udaru mózgu, w laboratorium zastosowano stymulację elektryczną niedokrwionych komórek. Zaobserwowano istotny wzrost ekspresji dwóch białek – synaptofizyny i beta-tubuliny – co wskazuje na neuroplastyczność(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Oznacza to, że mózg może przystosować się do nowych warunków, ponieważ zwiększona neuroplastyczność może wskazywać na zdolność mózgu do odzyskania funkcji po udarze. „Chociaż wyniki eksperymentów są obiecujące, należy sprawdzić ich powtarzalność”, dodaje Mobini. Projekt zakończył się 4 miesiące wcześniej niż planowano, ponieważ Mobini otrzymał czteroletnie dofinansowanie projektu z programu Comunidad de Madrid – Atracción de Talento(odnośnik otworzy się w nowym oknie). W ramach nowego projektu, w którym kontynuowane są założenia NeuPES, stworzono układ przyspieszonego starzenia się in vitro. „Można by to wykorzystać do przewidywania trwałości elektrod nanostrukturalnych po implantacji”, wyjaśnia García-Martín. „Zabezpieczyliśmy prawa własności intelektualnej do wynalazku opracowanego w projekcie NeuPES w ramach hiszpańskiego systemu zgłoszeń patentowych i aktywnie poszukujemy partnerów przemysłowych. Poza tym przygotowujemy pracę naukową, która zostanie niedługo opublikowana”, podsumowuje García-Martín.
