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As interfaces cérebro-computador (BCIs) são um tema quente nos dias de hoje, com empresas como a Neuralink correndo para criar dispositivos que conectam os cérebros dos humanos às máquinas através da minúsculos eletrodos implantados. Os benefícios potenciais dos BCIs variam desde o monitoramento aprimorado da atividade cerebral em pacientes com problemas neurológicos até a restauração da visão em pessoas cegas, permitindo que os humanos controlem máquinas usando apenas nossas mentes. Mas um grande obstáculo para o desenvolvimento desses dispositivos são os próprios eletrodos – eles devem conduzir eletricidade, então quase todos são feitos de metal. Os metais não são os materiais mais amigáveis ao cérebro, pois são duros, rígidos e não reproduzem o ambiente físico no qual as células cerebrais normalmente crescem.
Esse problema agora tem uma solução em um novo tipo de andaime de hidrogel eletricamente condutivo desenvolvido no Instituto Wyss da Universidade de Harvard, na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) e no MIT. O andaime não apenas imita as condições porosas e macias do tecido cerebral, mas também suporta o crescimento e a diferenciação de células progenitoras neurais humanas (NPCs) em vários tipos diferentes de células cerebrais por até 12 semanas. A conquista é relatada em Materiais Avançados de Saúde.
“Este andaime condutor à base de hidrogel tem um grande potencial. Não só pode ser usado para estudar a formação de redes neurais humanas em vitro, também pode permitir a criação de BCIs biohíbridos implantáveis que se integram mais perfeitamente ao tecido cerebral do paciente, melhorando seu desempenho e diminuindo o risco de lesões”, disse a primeira autora Christina Tringides, Ph.D., ex-aluna de pós-graduação da Wyss and SEAS que agora é um bolsista de pós-doutorado na ETH Zürich.
De um, muitos
Tringides e sua equipe criaram seu primeiro eletrodo à base de hidrogel em 2021, movidos pelo desejo de fazer eletrodos mais macios que pudessem “fluir” para abraçar as curvas, cantos e recantos naturais do cérebro. Embora a equipe tenha demonstrado que seu eletrodo era altamente compatível com o tecido cerebral, eles sabiam que a substância mais compatível com as células vivas são as outras células. Eles decidiram tentar integrar células cerebrais vivas no próprio eletrodo, o que poderia permitir que um eletrodo implantado transmitisse impulsos elétricos ao cérebro de um paciente. através da contato célula-célula mais natural.
Para tornar seu hidrogel condutor um lugar mais confortável para as células viverem, eles adicionaram uma etapa de liofilização ao processo de fabricação. Os cristais de gelo que se formaram durante a liofilização forçaram o material de hidrogel a se concentrar nos espaços ao redor dos cristais. Quando os cristais de gelo evaporaram, eles deixaram para trás poros cercados pelo hidrogel condutor, formando um andaime poroso. Essa estrutura garantiu que as células tivessem ampla área de superfície para crescer e que os componentes eletricamente condutores formassem um caminho contínuo através do hidrogel, fornecendo impulsos a todas as células.
Os pesquisadores variaram as receitas de seus hidrogéis para criar andaimes que eram viscoelásticos (como gelatina) ou elásticos (como um elástico) e macios ou rígidos. Eles então cultivaram células progenitoras neurais humanas (NPCs) nesses andaimes para ver qual combinação de propriedades físicas melhor suportava o crescimento e desenvolvimento de células neurais.
As células cultivadas em géis viscoelásticos e mais macios formaram redes de estruturas semelhantes a treliças no andaime e se diferenciaram em vários outros tipos de células após cinco semanas. As células que foram cultivadas em géis elásticos, em contraste, formaram aglomerados compostos em grande parte por NPCs indiferenciados. A equipe também variou a quantidade de materiais condutores dentro do material de hidrogel para ver como isso afetou o crescimento e o desenvolvimento neural. Quanto mais condutivo era um andaime, mais as células formavam redes ramificadas (como fazem na Vivo) em vez de aglomerados.
Os pesquisadores então analisaram os diferentes tipos de células que se desenvolveram dentro de seus andaimes de hidrogel. Eles descobriram que os astrócitos, que sustentam os neurônios fisicamente e metabolicamente, formaram suas projeções longas características quando cultivados em géis viscoelásticos versus géis elásticos, e havia significativamente mais deles presentes quando os géis viscoelásticos continham mais material condutor. Os oligodendrócitos, que criam a bainha de mielina que isola os axônios dos neurônios, também estavam presentes nos andaimes. Havia mais mielina total e segmentos mielinizados mais longos nos géis viscoelásticos do que nos géis elásticos, e a espessura da mielina aumentou quando havia mais material condutor presente nos géis.
A peça de resistência (elétrica)
Por fim, a equipe aplicou estimulação elétrica às células humanas vivas através da os materiais condutores dentro de seu andaime de hidrogel para ver como isso afetou o crescimento celular. As células foram pulsadas com eletricidade por 15 minutos de cada vez, diariamente ou em dias alternados. Após oito dias, os andaimes que foram pulsados diariamente tinham muito poucas células vivas, enquanto aqueles que foram pulsados dia sim, dia não estavam cheios de células vivas em todo o andaime.
Após este período de estimulação, as células foram deixadas nos andaimes por um total de 51 dias. As poucas células deixadas nos andaimes que foram estimulados diariamente não se diferenciaram em outros tipos de células, enquanto os andaimes de dias alternados tinham neurônios altamente diferenciados e astrócitos com longas saliências. A variação dos impulsos elétricos testados não parece ter efeito sobre a quantidade de mielina presente nos géis.
“A diferenciação bem-sucedida de NPCs humanos em vários tipos de células cerebrais dentro de nossos andaimes é a confirmação de que o hidrogel condutor fornece a eles o tipo certo de ambiente para crescer. em vitro“, disse o autor sênior Dave Mooney, Ph.D., membro do corpo docente do Wyss Institute. cérebro.” Mooney é também o Robert P. Pinkas Família Professor de Bioengenharia na SEAS.
A Tringides continua trabalhando nos andaimes de hidrogel condutivo, com planos de investigar mais como vários tipos de estimulação elétrica podem afetar diferentes tipos de células e desenvolver uma abordagem mais abrangente em vitro modelo. Ela espera que essa tecnologia um dia permita a criação de dispositivos que ajudem a restaurar a função em pacientes humanos que sofrem de problemas neurológicos e fisiológicos.
“Esta obra representa um grande avanço ao criar um em vitro microambiente com as propriedades físicas, químicas e elétricas corretas para apoiar o crescimento e a especialização das células cerebrais humanas. Este modelo pode ser usado para acelerar o processo de encontrar tratamentos eficazes para doenças neurológicas, além de abrir uma abordagem totalmente nova para criar eletrodos e interfaces cérebro-máquina mais eficazes que se integram perfeitamente aos tecidos neuronais. Estamos entusiasmados para ver aonde essa combinação inovadora de ciência de materiais, biomecânica e engenharia de tecidos levará no futuro”, disse o diretor fundador do Instituto Wyss, Don Ingber, MD, Ph.D. Ingber também é o Judah Folkman Professor de Biologia Vascular na Harvard Medical School e no Boston Children’s Hospital, e o Hansjörg Wyss Professor de Engenharia Bioinspirada na SEAS.
Autores adicionais incluem Marjolaine Boulingre do SEAS, Andrew Khalil do Wyss Institute e do Whitehead Institute no MIT, Tenzin Lungjangwa do Whitehead Institute e Rudolf Jaenisch do Whitehead Institute e do MIT.
Este trabalho foi financiado pela National Science Foundation sob o prêmio nos. 1541959 e DMR-1420570 e uma concessão do Graduate Research Fellowship Program, o NIH concede RO1DE013033 5R01DE013349, NSF-MRSEC DMR-2011754, o Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering na Harvard University, a EPFL WISH Foundation e o projeto Wellcome Leap HOPE.
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