MIT開發無創光激活設備：可修復多發性硬化神經損傷

可穿戴設備如智能手錶和健身追蹤器與我們身體的部分互動，用來監測和瞭解內部過程，比如心率或睡眠階段。

如今，MIT 的研究人員開發出一種可穿戴設備，能夠在體內單個細胞上執行類似功能。

這些無電池、亞細胞尺寸的設備由柔性聚合物製成，設計上能夠在光的無線激活下，輕柔地包裹在神經元的不同部分，如軸突和樹突周圍，而不會對細胞造成損害。通過緊密包裹神經元的結構，這些設備可以用於測量或調節神經元在亞細胞水平的電活動和代謝活動。

由於這些設備是無線且漂浮的，研究人員設想未來可以將數千個微小設備註射入體內，然後通過外部光源無創地激活它們。研究人員可以精確控制光照劑量，使可穿戴設備柔和地包裹住細胞。光能夠穿透組織，並激活這些設備。

通過包裹在傳遞電信號的軸突上，這些可穿戴設備有可能幫助恢復在多發性硬化等疾病中出現的神經元退化。長遠來看，這些設備還可以與其他材料整合，形成微小的電路，用於測量和調節單個細胞的活動。

「我們在這裏提出的概念和平台技術，猶如一塊奠基石，為未來的研究帶來了巨大可能性。」MIT 媒體實驗室和神經生物工程中心的 AT&T 職業發展助理教授，同時也是 Nano-Cybernetic Biotrek 實驗室的負責人、本文資深作者 Deblina Sarkar 說道。

論文的主要作者是 Marta J. I. Airaghi Leccardi（前 MIT 博士後，現為諾華創新研究員），還有 MIT 博士後 Benoît X. E. Desbiolles，前 MIT 本科研究員 Anna Y. Haddad，MIT 研究生 Baju C. Joy 和 Chen Song。研究成果已於今日發表在 Nature Communications Chemistry 上。

緊密包裹細胞

大腦細胞的形狀複雜，這使得要設計一個可以與神經元或神經元結構緊密貼合的生物電子植入物極為困難。例如，軸突是一種細長的、尾狀結構，連接到神經元的細胞體，其長度和曲率差異很大。

同時，軸突和其他細胞成分非常脆弱，因此與它們接觸的任何設備都必須足夠柔軟，既能實現良好的接觸，又不會對它們造成傷害。

為瞭解決這些難題，MIT 的研究人員利用一種稱為偶氮苯的柔性聚合物開發出薄膜設備，可以在不損傷細胞的情況下包裹細胞。

由於材料的轉變特性，偶氮苯薄片在光照下會捲曲，從而能夠包裹住細胞。研究人員可以通過調整光的強度和偏振以及設備的形狀，精確控制捲曲的方向和直徑。

這些薄膜可以形成直徑小於一微米的微管，使它們能夠輕柔但緊密地包裹在高度彎曲的軸突和樹突周圍。

「我們可以非常精細地控制捲曲的直徑。通過調節光能量，可以在達到所需尺寸時停止捲曲。」Sarkar 解釋道。

研究人員試驗了幾種製造工藝，尋找一種既可擴展又無需半導體無塵室的工藝。

製造微型可穿戴設備

他們首先將一滴偶氮苯沉積在由水溶性材料組成的「犧牲層」上。然後，研究人員用印章按壓在聚合物滴上，在「犧牲層」上模製出數千個微小設備。通過這種印壓技術，可以製造出從矩形到花形的複雜結構。

接著，通過烘焙步驟確保所有溶劑蒸發，並使用蝕刻工藝去除設備之間殘留的材料。最後，他們將「犧牲層」溶解在水中，留下數千個漂浮在液體中的微小設備。

在得到這些自由漂浮的設備後，他們用光無線激活設備，使其捲曲。研究發現，自由漂浮的結構在光照停止後可以保持數天形狀不變。

研究人員進行了系列實驗，以確保整個方法對生物體無害。

在完善了光控捲曲的方法後，他們在大鼠神經元上測試了這些設備，發現即使是高度彎曲的軸突和樹突，它們也能緊密包裹而不造成損害。

「為了與這些細胞親密接觸，設備必須柔軟且能夠適應這些複雜的結構。我們在這項研究中解決了這一難題。我們是第一個證明偶氮苯甚至可以包裹活細胞的團隊。」她說道。

他們面臨的最大挑戰之一是開發出可擴展且無需無塵室的製造工藝。他們還不斷調整設備的理想厚度，因為過厚會導致捲曲時產生裂紋。

由於偶氮苯是絕緣體，因此一種直接應用就是將設備作為受損軸突的合成髓鞘。髓鞘是一種包裹軸突的絕緣層，使電信號能夠在神經元之間高效傳遞。

在像多發性硬化這樣的非髓鞘化疾病中，神經元失去了一些絕緣髓鞘。目前沒有生物學方法可以再生它們。作為合成髓鞘，這些可穿戴設備可能幫助多發性硬化症患者恢復神經元功能。

研究人員還展示了如何將這些設備與可以刺激細胞的光電材料結合。此外，可以在設備表面上製作原子級薄材料，這些設備仍然能夠捲曲形成微管而不破裂。這為在設備中集成傳感器和電路提供了機會。

此外，由於它們能夠與細胞緊密接觸，只需很少的能量就能刺激亞細胞區域。研究人員或臨床醫生可以利用這一特點來調節神經元的電活動，以治療腦部疾病。

「展示這種人工設備與細胞在前所未有的解像度下實現共生，是一件令人興奮的事情。我們已經證明了這項技術的可行性。」Sarkar 說。

除了探索這些應用外，研究人員還希望嘗試在設備表面功能化，附著上能幫助它們靶向特定細胞類型或亞細胞區域的分子。

「這項工作是朝著新型共生神經接口的激動人心的一步，這種接口能夠在單個軸突和突觸水平上起作用。結合納米級一維和二維導電納米材料，這些對光響應的偶氮苯薄片可以成為一個多功能平台，以最小或非侵入性方式感應並傳遞不同類型的信號（如電、光、熱等）到神經元和其他細胞類型。儘管是初步研究，但本文報告的細胞相容性數據也為將來在體內應用帶來了希望。」賓夕法尼亞大學神經學、生物工程與物理醫學與康復副教授 Flavia Vitale 說道，她並未參與該項研究。

該研究得到了瑞士國家科學基金會和美國國立衛生研究院腦計劃的支持。部分研究通過 MIT.nano 設施完成。

原文鏈接：

https://news.mit.edu/2024/wearable-devices-for-cells-1031