Когда нейроны повреждены дегенеративным заболеванием или травмой, у них практически отсутствует способность к самостоятельному заживлению, если таковая вообще имеется. Таким образом, восстановление нейронных сетей и их нормального функционирования является серьезной задачей в области тканевой инженерии.

Профессор Орит Шефи и докторант Реут Плен с инженерного факультета Кофкина Университета Бар-Илан разработали новую технику для решения этой проблемы с использованием нанотехнологий и магнитных манипуляций, одного из самых инновационных подходов к созданию нейронных сетей. Их исследование было недавно опубликовано в журнале Усовершенствованные функциональные материалы.

Чтобы создать нейронные сети, исследователи ввели магнитные наночастицы оксида железа в клетки-предшественники нейронов, превратив таким образом клетки в независимые магнитные единицы. Затем они подвергли клетки-предшественники, которые, как известно, развиваются в нейроны, воздействию ряда предварительно настроенных магнитных полей и дистанционно направили их движение внутри трехмерного и многослойного коллагенового субстрата, имитирующего естественные характеристики тканей организма. С помощью этих магнитных манипуляций они создали трехмерные "мини-мозги" - функциональные и многослойные нейронные сети, имитирующие элементы, обнаруженные в мозге млекопитающих.

После того, как раствор коллагена затвердел в гель, клетки оставались на месте в соответствии с дистанционно приложенными магнитными полями. В течение нескольких дней клетки превратились в зрелые нейроны, образовали отростки и соединения, продемонстрировали электрическую активность и процветали в коллагеновом геле не менее 21 дня.

"Этот метод открывает путь для создания 3D-архитектуры клеток в индивидуальном масштабе для использования в биоинженерии, терапевтических и исследовательских приложениях, как внутри, так и вне организма", - говорит аспирант Реут Плен. "Поскольку созданные нами 3D-нейронные сети имитируют врожденные свойства тканей человеческого мозга, они могут быть использованы в качестве экспериментальных "мини-мозгов" и служить моделью для изучения лекарственных препаратов, для исследования связи между тканями и как способ построения искусственных сетей для интерфейсов между инженерными и биологическими компонентами. Кроме того, модель предполагает интересную перспективу введения такого геля, содержащего клетки, в жидком состоянии, введения его в нервную систему и организации клеток в правильную структуру с помощью магнитных сил. Преимущество использования этого метода заключается в том, что магнитные поля могут воздействовать на клетки, расположенные глубоко внутри организма, неинвазивным образом", - добавляет Плен.

Введение магнитных частиц в клетки, и в частности в нервные клетки, вызывает вопросы относительно безопасности будущих медицинских применений. "Вопрос безопасности важен, и мы посвятили ему много размышлений и исследований", - говорит профессор. Орит Шефи указывает на это. "На первом этапе мы проверили влияние различных частиц на здоровье клеток в культуре. Кроме того, мы покрыли магнитные частицы биосовместимым белком. Покрытие создает буфер между магнитным элементом и ячейкой и способствует проникновению наночастиц. Важно отметить, что железо, строительный блок наночастиц, естественным образом присутствует в организме, поэтому оно не является чужеродным веществом. Кроме того, тот же гель с магнитными частицами был протестирован в нашей лаборатории и признан безопасным для использования на животных моделях".

Управление по контролю за продуктами и лекарствами США уже одобрило использование магнитных наночастиц для диагностики и визуализации, а также в случаях серьезных травм. Шаги, предпринятые исследовательской группой Бар-Илана, создают возможность для продвижения технологии для будущего клинического применения. "Это только начало", - говорят Шефи и Плен. "Наш новый метод создания "мини-мозгов" открывает двери для поиска решений для различных неврологических нарушений, которые, как мы надеемся, улучшат качество жизни многочисленных пациентов.