Novos nanodiscos magnéticos podem fornecer uma maneira muito menos invasiva de estimular partes do cérebro, abrindo caminho para terapias de estimulação sem implantes ou modificação genética, relatam pesquisadores do MIT.

Os cientistas imaginam que os minúsculos discos, que têm cerca de 250 nanômetros de diâmetro (cerca de 1/500 da largura de um fio de cabelo humano), seriam injetados diretamente no local desejado no cérebro. De lá, eles poderiam ser ativados a qualquer momento simplesmente aplicando um campo magnético fora do corpo. As novas partículas poderiam rapidamente encontrar aplicações em pesquisa biomédica e, eventualmente, após testes suficientes, poderiam ser aplicadas a usos clínicos.

O desenvolvimento dessas nanopartículas é descrito na revista Nature Nanotechnology , em um artigo de Polina Anikeeva, professora dos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais e Ciências Cognitivas e do Cérebro do MIT, da estudante de pós-graduação Ye Ji Kim e de outros 17 no MIT e na Alemanha.

A estimulação cerebral profunda (DBS) é um procedimento clínico comum que usa eletrodos implantados nas regiões cerebrais alvo para tratar sintomas de condições neurológicas e psiquiátricas, como a doença de Parkinson e o transtorno obsessivo-compulsivo. Apesar de sua eficácia, a dificuldade cirúrgica e as complicações clínicas associadas à DBS limitam o número de casos em que tal procedimento invasivo é justificado. Os novos nanodiscos podem fornecer uma maneira muito mais benigna de atingir os mesmos resultados.

Na última década, outros métodos sem implantes para produzir estimulação cerebral foram desenvolvidos. No entanto, essas abordagens eram frequentemente limitadas por sua resolução espacial ou capacidade de atingir regiões profundas. Na última década, o grupo de Bioeletrônica de Anikeeva, bem como outros na área, usaram nanomateriais magnéticos para transduzir sinais magnéticos remotos em estimulação cerebral. No entanto, esses métodos magnéticos dependiam de modificações genéticas e não podem ser usados em humanos.

Como todas as células nervosas são sensíveis a sinais elétricos, Kim, uma estudante de pós-graduação no grupo de Anikeeva, levantou a hipótese de que um nanomaterial magnetoelétrico que pode converter eficientemente magnetização em potencial elétrico poderia oferecer um caminho para estimulação cerebral magnética remota. Criar um material magnetoelétrico em nanoescala foi, no entanto, um desafio formidável.

Kim sintetizou novos nanodiscos magnetoelétricos e colaborou com Noah Kent, um pós-doutorado no laboratório de Anikeeva com formação em física e segundo autor do estudo, para entender as propriedades dessas partículas.

A estrutura dos novos nanodiscos consiste em um núcleo magnético de duas camadas e uma camada piezoelétrica. O núcleo magnético é magnetostritivo, o que significa que ele muda de forma quando magnetizado. Essa deformação então induz tensão na camada piezoelétrica, o que produz uma polarização elétrica variável. Por meio da combinação dos dois efeitos, essas partículas compostas podem fornecer pulsos elétricos aos neurônios quando expostas a campos magnéticos.

Uma chave para a eficácia dos discos é o formato do disco. Tentativas anteriores de usar nanopartículas magnéticas usaram partículas esféricas, mas o efeito magnetoelétrico foi muito fraco, diz Kim. Essa anisotropia aumenta a magnetostrição em mais de 1000 vezes, acrescenta Kent.

A equipe primeiro adicionou seus nanodiscos a neurônios cultivados, o que permitiu que eles ativassem essas células sob demanda com pulsos curtos de campo magnético. Essa estimulação não exigiu nenhuma modificação genética.

Eles então injetaram pequenas gotículas de solução de nanodiscos magnetoelétricos em regiões específicas do cérebro de camundongos. Então, simplesmente ligar um eletroímã relativamente fraco próximo acionou as partículas para liberar um pequeno choque de eletricidade naquela região do cérebro. A estimulação poderia ser ligada e desligada remotamente pela troca do eletroímã. Essa estimulação elétrica "teve um impacto na atividade dos neurônios e no comportamento", diz Kim.

A equipe descobriu que os nanodiscos magnetoelétricos poderiam estimular uma região profunda do cérebro, a área tegmentar ventral, que está associada a sentimentos de recompensa.

A equipe também estimulou outra área do cérebro, o núcleo subtalâmico, associado ao controle motor. “Esta é a região onde os eletrodos normalmente são implantados para controlar a doença de Parkinson”, explica Kim. Os pesquisadores conseguiram demonstrar com sucesso a modulação do controle motor por meio das partículas. Especificamente, ao injetar nanodiscos apenas em um hemisfério, os pesquisadores puderam induzir rotações em camundongos saudáveis aplicando campo magnético.

Os nanodiscos poderiam desencadear a atividade neuronal comparável a eletrodos implantados convencionais que fornecem estimulação elétrica suave. Os autores alcançaram precisão temporal de subsegundos para estimulação neural com seu método, mas observaram respostas de corpo estranho significativamente reduzidas em comparação aos eletrodos, potencialmente permitindo uma estimulação cerebral profunda ainda mais segura.

A composição química multicamadas, o formato físico e o tamanho dos novos nanodiscos multicamadas é o que tornou possível a estimulação precisa.

Enquanto os pesquisadores aumentaram com sucesso o efeito magnetostritivo, a segunda parte do processo, convertendo o efeito magnético em uma saída elétrica, ainda precisa de mais trabalho, diz Anikeeva. Enquanto a resposta magnética foi mil vezes maior, a conversão para um impulso elétrico foi apenas quatro vezes maior do que com partículas esféricas convencionais.

O que a equipe descobriu, em termos da maneira como os formatos das partículas afetam sua magnetostrição, foi bem inesperado. “É uma espécie de coisa nova que simplesmente apareceu quando tentamos descobrir por que essas partículas funcionavam tão bem”, diz Kent.

Anikeeva acrescenta: “Sim, é uma partícula que quebra recordes, mas não é tão recorde quanto poderia ser.” Esse continua sendo um tópico para trabalho futuro, mas a equipe tem ideias sobre como fazer mais progressos.

Embora esses nanodiscos pudessem, em princípio, já ser aplicados à pesquisa básica usando modelos animais, traduzi-los para uso clínico em humanos exigiria várias outras etapas, incluindo estudos de segurança em larga escala, “o que é algo que pesquisadores acadêmicos não estão necessariamente mais bem posicionados para fazer”, diz Anikeeva. “Quando descobrimos que essas partículas são realmente úteis em um contexto clínico específico, imaginamos que haverá um caminho para que elas passem por estudos mais rigorosos de segurança em animais de grande porte.”

A equipe incluiu pesquisadores afiliados aos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, Engenharia Elétrica e Ciência da Computação, Química e Ciências Cognitivas e do Cérebro do MIT; o Laboratório de Pesquisa em Eletrônica; o Instituto McGovern para Pesquisa do Cérebro; e o Instituto Koch para Pesquisa Integrativa do Câncer; e da Universidade Friedrich-Alexander de Erlangen, Alemanha. O trabalho foi apoiado, em parte, pelos Institutos Nacionais de Saúde, o Centro Nacional de Saúde Complementar e Integrativa, o Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e Derrame, o Instituto McGovern para Pesquisa do Cérebro e o Centro K. Lisa Yang e Hock E. Tan para Terapêutica Molecular em Neurociência.