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Engenheiros do MIT desenvolveram fibras macias e implantáveis que podem fornecer luz aos principais nervos do corpo. Quando esses nervos são geneticamente manipulados para responder à luz, as fibras podem enviar pulsos de luz aos nervos para inibir a dor. As fibras ópticas são flexíveis e esticam-se com o corpo.
As novas fibras pretendem ser uma ferramenta experimental que pode ser usada por cientistas para explorar as causas e potenciais tratamentos para distúrbios dos nervos periféricos em modelos animais. A dor nos nervos periféricos pode ocorrer quando os nervos fora do cérebro e da medula espinhal são danificados, resultando em formigamento, dormência e dor nos membros afetados. Estima-se que a neuropatia periférica afete mais de 20 milhões de pessoas nos Estados Unidos.
“Os dispositivos atuais usados para estudar distúrbios nervosos são feitos de materiais rígidos que restringem os movimentos, de modo que não podemos realmente estudar lesões e recuperação da medula espinhal se houver dor envolvida”, diz Siyuan Rao, professor assistente de engenharia biomédica na Universidade de Massachusetts. em Amherst, que realizou parte do trabalho como pós-doutorado no MIT. “Nossas fibras podem se adaptar ao movimento natural e fazer seu trabalho sem limitar o movimento do sujeito. Isso pode nos dar informações mais precisas.”
“Agora, as pessoas têm uma ferramenta para estudar as doenças relacionadas ao sistema nervoso periférico, em condições muito dinâmicas, naturais e sem restrições”, acrescenta Xinyue Liu PhD ’22, que agora é professor assistente na Michigan State University (MSU).
Detalhes das novas fibras de sua equipe serão relatados em um estudo publicado em Métodos da Natureza. Os coautores de Rao e Liu no MIT incluem Atharva Sahasrabudhe, estudante de graduação em química; Xuanhe Zhao, professor de engenharia mecânica e engenharia civil e ambiental; e Polina Anikeeva, professora de ciência e engenharia de materiais, juntamente com outros na MSU, UMass-Amherst, Harvard Medical School e National Institutes of Health.
Além do cérebro
O novo estudo surgiu do desejo da equipe de expandir o uso da optogenética além do cérebro. A optogenética é uma técnica pela qual os nervos são geneticamente modificados para responder à luz. A exposição a essa luz pode então ativar ou inibir o nervo, o que pode fornecer aos cientistas informações sobre como o nervo funciona e interage com o ambiente.
Os neurocientistas aplicaram a optogenética em animais para rastrear com precisão as vias neurais subjacentes a uma série de distúrbios cerebrais, incluindo dependência, doença de Parkinson e distúrbios do humor e do sono – informações que levaram a terapias direcionadas para essas condições.
Até o momento, a optogenética tem sido empregada principalmente no cérebro, uma área que carece de receptores de dor, o que permite a implantação relativamente indolor de dispositivos rígidos. No entanto, os dispositivos rígidos ainda podem danificar os tecidos neurais. A equipe do MIT questionou se a técnica poderia ser expandida para nervos fora do cérebro. Assim como acontece com o cérebro e a medula espinhal, os nervos do sistema periférico podem sofrer uma série de deficiências, incluindo ciática, doença dos neurônios motores e dormência e dor generalizadas.
A optogenética pode ajudar os neurocientistas a identificar causas específicas de doenças nervosas periféricas, bem como testar terapias para aliviá-las. Mas o principal obstáculo à implementação da técnica fora do cérebro é o movimento. Os nervos periféricos experimentam constantes empurrões e puxões dos músculos e tecidos circundantes. Se dispositivos rígidos de silício fossem usados na periferia, eles restringiriam o movimento natural do animal e potencialmente causariam danos aos tecidos.
Cristais e luz
Os pesquisadores procuraram desenvolver uma alternativa que pudesse funcionar e se mover com o corpo. Seu novo design é uma fibra macia, elástica e transparente feita de hidrogel – uma mistura de polímeros e água biocompatível e emborrachada, cuja proporção eles ajustaram para criar minúsculos cristais de polímeros em nanoescala espalhados por uma solução mais parecida com gelatina.
A fibra incorpora duas camadas – um núcleo e um invólucro externo ou “revestimento”. A equipe misturou as soluções de cada camada para gerar um arranjo cristalino específico. Esse arranjo deu a cada camada um índice de refração específico e diferente e, juntas, as camadas impediram que qualquer luz que passasse pela fibra escapasse ou se espalhasse.
A equipe testou as fibras ópticas em camundongos cujos nervos foram geneticamente modificados para responder à luz azul que excitaria a atividade neural ou à luz amarela que inibiria sua atividade. Eles descobriram que mesmo com a fibra implantada no lugar, os ratos conseguiam correr livremente sobre uma roda. Após dois meses de exercícios com rodas, totalizando cerca de 30 mil ciclos, os pesquisadores descobriram que a fibra ainda era robusta e resistente à fadiga, e também podia transmitir luz de forma eficiente para desencadear a contração muscular.
A equipe então ligou um laser amarelo e o passou pela fibra implantada. Utilizando procedimentos laboratoriais padrão para avaliar a inibição da dor, observaram que os ratos eram muito menos sensíveis à dor do que os roedores que não foram estimulados com luz. As fibras foram capazes de inibir significativamente a dor ciática nos ratos estimulados pela luz.
Os pesquisadores veem as fibras como uma nova ferramenta que pode ajudar os cientistas a identificar as raízes da dor e de outros distúrbios nervosos periféricos.
“Estamos nos concentrando na fibra como uma nova tecnologia da neurociência”, diz Liu. “Esperamos ajudar a dissecar os mecanismos subjacentes à dor no sistema nervoso periférico. Com o tempo, nossa tecnologia poderá ajudar a identificar novas terapias mecanicistas para dor crônica e outras condições debilitantes, como degeneração ou lesão nervosa”.
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelos Institutos Nacionais de Saúde, pela National Science Foundation, pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pelo Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro, pelo Centro Hock E. Tan e K. Lisa Yang para Pesquisa do Autismo, pelo K Centro Cérebro-Corpo Lisa Yang e Fundação de Pesquisa do Cérebro e Comportamento.
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