Дистанционное управление нейронами

Исследователи из Университета Карнеги-Меллон создали новую технологию, которая усиливает способность учёных взаимодействовать с нервными клетками с помощью света. Команда под руководством Цахи Коэн-Карни синтезировала трёхмерный «пушистый» графен на основе нанопроволочного шаблона (NW-templated three-dimensional fuzzy graphene, NT-3DFG). Этот материал позволяет осуществлять дистанционную оптическую стимуляцию клеток без генетической модификации и использует на 1–2 порядка меньше энергии, чем существующие материалы, предотвращая клеточный стресс.

Графен широко распространён, дёшев и биосовместим. Лаборатория Коэн-Карни разработала метод синтеза материала в 3-D-топологии, названный «пушистым» графеном. Выращивая двумерные (2-D) чешуйки графена вне плоскости на структуре из кремниевых нанопроволок, они создали 3-D-структуру с широкополосным оптическим поглощением и беспрецедентной фототермической эффективностью.

Эти свойства делают материал идеальным для модуляции клеточной электрофизиологии светом через оптоёмкостной эффект (optocapacitive effect), который изменяет ёмкость клеточной мембраны под действием быстрых световых импульсов. NT-3DFG можно легко получить в суспензии, что позволяет изучать клеточную сигнализацию как в 2-D-системах, так и в 3-D-структурах, подобных органоидам на основе человеческих клеток.

Такие системы не только важны для понимания клеточной сигнализации, но и обладают большим потенциалом для разработки новых терапевтических методов. Однако исследования ограничивались риском клеточного стресса от существующих технологий оптического дистанционного управления. NT-3DFG устраняет этот риск благодаря значительно меньшему энергопотреблению. Его биосовместимую поверхность легко химически модифицировать для работы с разными типами клеток.

«Разработанная технология позволит нам взаимодействовать с инженерными тканями или с нервной/мышечной тканью in vivo. Это даст возможность дистанционно контролировать и влиять на функциональность ткани с помощью света с высокой точностью и низкими энергозатратами», — сказал Коэн-Карни.

Вклад в проект внесла также группа Майсама Чаманзара, чья экспертиза в фотонике и нейротехнологиях помогла в создании инструментов для характеризации гибридных наноматериалов и оптической записи активности клеток при их стимуляции.

«Широкополосное поглощение этих 3-D-наноматериалов позволило нам использовать свет с длинами волн, которые могут глубоко проникать в ткань для дистанционного возбуждения нервных клеток. Этот метод может применяться в широком спектре областей — от разработки неинвазивных терапий до фундаментальных научных исследований», — отметил Чаманзар.

Результаты работы важны как для понимания клеточных взаимодействий, так и для разработки терапий, использующих потенциал собственных клеток организма. Наноструктуры на основе NT-3DFG могут оказать серьёзное влияние на будущее биологии и медицины.