Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Skoltech heeft voor het eerst aangetoond dat niet-giftige, magnetische microdeeltjes de nervus vagus van een muis draadloos kunnen prikkelen. Daarmee lukte het de onderzoekers om de ademhaling en de hartslag van het dier te sturen. De piepkleine deeltjes gedragen zich als minuscule elektroden in het zenuwweefsel en worden op afstand geactiveerd via een magnetisch veld. Volgens de auteurs vormt de aanpak een veelbelovend alternatief voor operatief ingeplante hersenelektroden, die vandaag als laatste redmiddel worden ingezet bij ernstige, therapieresistente aandoeningen. De resultaten verschenen in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Functional Materials.
- Magnetische microdeeltjes stimuleerden draadloos de nervus vagus van een muis.
- De deeltjes zijn gemaakt van biocompatibel polymelkzuur (PLA) met staafjes ijzeroxide, zonder giftige metalen.
- De onderzoekers zagen een verhoogde ademhalingsfrequentie en een verlaagde hartslag zodra de activeringsdrempel werd overschreden.
Het onderzoek werd uitgevoerd door Skoltech — een instituut binnen de VEB.RF-groep — samen met het Institute of Cytology and Genetics van SB RAS en andere Russische medisch-wetenschappelijke centra.
Waarom een alternatief voor hersenelektroden gezocht wordt
Elektrische stimulatie via chirurgisch ingeplante elektroden wordt vandaag al toegepast bij de ziekte van Parkinson, essentiële tremor, medicijnresistente epilepsie en de dwangstoornis (OCD). Daarnaast wordt de techniek actief onderzocht als behandeling voor onder meer alzheimer en andere vormen van dementie, het syndroom van Gilles de la Tourette, therapieresistente depressie, verslavingen, chronische pijn en clusterhoofdpijn. De aanpak wordt doorgaans pas overwogen wanneer medicatie en andere klassieke behandelingen falen en de aandoening ernstig is.
Net dat ingrijpende karakter vormt de aanleiding voor het onderzoek. “Als je zo’n elektrode in je hand houdt, of nog beter, naar een hersenscan kijkt van een patiënt met een vijf centimeter lang stuk metaal in de hersenen, dan kan je niet anders dan je afvragen of er een minder invasief alternatief bestaat”, zegt medeauteur professor Gleb Sukhorukov, die aan het hoofd staat van het Center for Bio- and Medical Technologies van Skoltech.
Het idee: de metalen elektrode vervangen door biocompatibele deeltjes ter grootte van individuele neuronen, die via een injectie kunnen worden ingebracht.
“Een hersenaanprik is nog steeds invasief, maar veel minder”, aldus Sukhorukov. “En als we die deeltjes ongeveer tien keer kleiner kunnen maken, wordt ook toediening via de neus een mogelijkheid.”
Wat de nieuwe deeltjes anders maakt
Het concept zelf is niet nieuw, maar eerdere varianten bevatten de giftige metalen kobalt of nikkel. De nieuwe microdeeltjes zijn vrij van toxische materialen. Ze hebben de vorm van een minuscule hockeypuck en bestaan uit het polymeer polymelkzuur (PLA), waarin talrijke kleine staafjes ijzeroxide zijn verwerkt. Ondanks het woord “zuur” is afbreekbaar PLA een vast materiaal dat lijkt op melkwit plastic.
De deeltjes worden gemaakt door magnetische nanostaafjes toe te voegen aan een oplossing van polymelkzuur en die in kleine putjes te gieten met de gewenste diameter. Tijdens het uitharden onder een magnetisch veld richten alle metalen staafjes zich in dezelfde richting uit, als talloze kompasnaaldjes. Die ordening is cruciaal voor de werking.
Hoe de stimulatie technisch werkt
Zodra een magnetisch deeltje en een neuron — die dezelfde grootte hebben — met elkaar in contact staan, kan een wisselend magnetisch veld het deeltje activeren. Daardoor drukken de metalen staafjes tegen het polymeer. Omdat polymelkzuur een piëzo-elektrisch materiaal is, wekt het elektriciteit op onder mechanische spanning. Die elektrische pulsen bleken de ademhaling en hartslag van de muis te beïnvloeden.
Om de doeltreffendheid te testen brachten de onderzoekers de deeltjes chirurgisch in contact met de nervus vagus van de muis, de zenuw die hartslag, ademhaling, spijsvertering en andere onwillekeurige functies regelt. In toekomstige medische toepassingen zouden minder ingrijpende methoden, zoals injecties en toediening via de neus, de voorkeur krijgen.
“Dit is het eerste experiment in een diermodel dat aantoont dat niet-giftige magnetische microdeeltjes deze onwillekeurige processen kunnen sturen”, zegt Sukhorukov. “We zagen een verhoogde ademhalingsfrequentie en een verlaagde hartslag zodra de activeringsdrempel werd overschreden. Dezelfde aanpak kan echter worden gebruikt om zenuwbanen in het algemeen op afstand te activeren.”
Het team plant om dit jaar te beginnen met het modelleren van specifieke aandoeningen en letsels bij muizen, waaronder hersenschudding. De studie bevindt zich daarmee nog in een vroeg, preklinisch stadium: de resultaten zijn behaald bij muizen en zeggen op zich nog niets over de veiligheid of werkzaamheid bij mensen.
Zou u een minder invasieve, injecteerbare vorm van zenuwstimulatie een stap vooruit vinden voor patiënten met ernstige neurologische aandoeningen? Deel uw kijk hieronder.
