نورون‌ها واحد‌های بنیادی مغز و دستگاه عصبی هستند، سلول‌هایی که مسوول دریافت ورودی حسی از دنیای بیرونی، ارسال فرمان‌های حرکتی به ماهیچه‌ها و تبدیل و انتقال سیگنال‌های الکتریکی در هر مرحله هستند. نورون‌ها، که سلول‌های عصبی نیز نامیده می‌شوند، از سه بخش اصلی بدن سلولی، دندریت‌ها و آکسون تشکیل شده‌اند.

هنگامی که نورون‌ها در اثر بیماری یا جراحت دژنراتیو آسیب می‌بینند، توانایی اندکی، برای بهبود خود به خودی دارند بنابراین بازیابی شبکه‌های عصبی و عملکرد طبیعی آن‌ها یک چالش مهم در زمینه مهندسی بافت است.

دکتر اوریت شفی و رئوت پلن دانشجوی دکتری از دانشکده مهندسی کوفکین در دانشگاه بار-ایلان، روش جدیدی را برای غلبه بر این چالش با استفاده از فناوری‌نانو و دستکاری‌های مغناطیسی، توسعه دادند. نتایج تحقیقات آن‌ها در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است.

برای ایجاد شبکه‌های عصبی، محققان نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن را به سلول‌های پیش‌ساز عصبی تزریق کردند، بنابراین سلول‌ها را به واحد‌های مغناطیسی مستقل تبدیل کردند. سپس سلول‌های پیش‌ساز را که به نورون‌ها تبدیل می‌شوند، در معرض تعدادی میدان مغناطیسی از پیش تنظیم‌شده قرار دادند و از راه دور حرکت آن‌ها را در یک بستر کلاژن سه‌بعدی و چند لایه که ویژگی‌های طبیعی بافت بدن را تقلید می‌کند، هدایت کردند.

آن‌ها از طریق این دستکاری‌های مغناطیسی، “مغز‌های کوچک” سه‌بعدی ایجاد کردند، شبکه‌های عصبی کاربردی و چند لایه که عناصر موجود در مغز پستانداران را تقلید می‌کنند.

پس از اینکه محلول کلاژن به یک ژل جامد تبدیل شد، سلول‌ها مطابق با میدان‌های مغناطیسی اعمال شده از راه دور در جای خود باقی می‌مانند. در عرض چند روز، سلول‌ها به نورون‌های بالغ تبدیل شده و اتصالات ایجاد می‌کنند، فعالیت الکتریکی از خود نشان داده و در ژل کلاژن برای حداقل ۲۱ روز رشد می‌کنند.

رئوت پلن از محققان این پروژه گفت: این روش راه را برای ایجاد معماری سلول‌های سه‌بعدی در مقیاس سفارشی برای استفاده در مهندسی زیستی، درمانی و کاربرد‌های تحقیقاتی، هم در داخل و هم در خارج از بدن هموار می‌کند.

از آنجایی که شبکه‌های عصبی سه‌بعدی ما ویژگی‌های ذاتی بافت‌های مغز انسان را شبیه‌سازی می‌کنند، می‌توان از آن‌ها به‌عنوان «مینی مغز» تجربی استفاده کرد و به‌عنوان مدلی برای مطالعه‌های دارویی، بررسی ارتباط بین بافت‌ها و راهی برای شبکه‌های مصنوعی برای رابط بین اجزای مهندسی و زیستی قابل استفاده است.

علاوه بر این، این مدل چشم‌انداز جالبی را برای تزریق چنین ژلی پیشنهاد می‌کند که حاوی سلول‌ها در حالت مایع است، آن را وارد سیستم عصبی می‌کند و سلول‌ها را در ساختار صحیح سازماندهی می‌نماید. مزیت استفاده از این روش این است که میدان‌های مغناطیسی می‌توانند سلول‌های واقع در اعماق بدن را به روشی غیر تهاجمی تحت تاثیر قرار دهند.

قرار دادن ذرات مغناطیسی در سلول‌ها، و به ویژه در سلول‌های عصبی، سؤالاتی را در مورد ایمنی کاربرد‌های پزشکی آینده ایجاد می‌کند.

دکتر اوریت شفی خاطرنشان کرد: مساله ایمنی مهم است و ما تحقیق زیادی را روی آن اختصاص داده‌ایم. در مرحله اول، ما تأثیر ذرات مختلف بر سلامت سلول را در محیط کشت آزمایش کردیم. علاوه بر این، ذرات مغناطیسی را با یک پروتئین زیست سازگار پوشاندیم. این پوشش یک بافر بین عنصر مغناطیسی و سلول ایجاد می‌کند و نفوذ نانوذرات را افزایش می‌دهد. نکته مهم این است که آهن، بلوک سازنده نانوذره، به طور طبیعی در بدن وجود دارد، بنابراین یک ماده خارجی نیست. علاوه بر این، همان ژل با ذرات مغناطیسی در آزمایشگاه آزمایش شد که برای استفاده در مدل‌های حیوانی بی‌خطر است.

سازمان غذا و داروی آمریکا پیش از این استفاده از نانوذرات مغناطیسی را برای اهداف تشخیصی و تصویربرداری و در موارد آسیب شدید تأیید کرده است. اقدامات انجام شده توسط این گروه، فرصتی برای پیشرفت فناوری برای استفاده بالینی آینده ایجاد می‌کند.