चिकित्सीय मस्तिष्क प्रत्यारोपण जो रक्त के माध्यम से यात्रा करते हैं, सर्जरी की आवश्यकता को टाल देते हैं

क्या होगा यदि चिकित्सक मस्तिष्क में छोटे इलेक्ट्रॉनिक चिप्स लगा सकें जो बांह में एक साधारण इंजेक्शन के माध्यम से सटीक लक्ष्य को विद्युत रूप से उत्तेजित कर सकें? यह किसी दिन घातक या दुर्बल कर देने वाली मस्तिष्क संबंधी बीमारियों के इलाज में मदद कर सकता है, साथ ही सर्जरी से संबंधित जोखिमों और लागतों को भी खत्म कर सकता है।

एमआईटी शोधकर्ताओं ने इस परिदृश्य को वास्तविकता बनाने की दिशा में एक बड़ा कदम उठाया है। उन्होंने सूक्ष्म, वायरलेस बायोइलेक्ट्रॉनिक्स विकसित किया जो शरीर की संचार प्रणाली के माध्यम से यात्रा कर सकता है और मस्तिष्क के लक्ष्य क्षेत्र में स्वायत्त रूप से आत्म-प्रत्यारोपण कर सकता है, जहां वे केंद्रित उपचार प्रदान करेंगे।

चूहों पर एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि इंजेक्शन के बाद, ये छोटे प्रत्यारोपण मानव मार्गदर्शन की आवश्यकता के बिना एक विशिष्ट मस्तिष्क क्षेत्र की पहचान और यात्रा कर सकते हैं। एक बार वहां पहुंचने पर, सटीक क्षेत्र में विद्युत उत्तेजना प्रदान करने के लिए उन्हें वायरलेस तरीके से संचालित किया जा सकता है। इस तरह की उत्तेजना, जिसे न्यूरोमॉड्यूलेशन के रूप में जाना जाता है, ने ब्रेन ट्यूमर और अल्जाइमर और मल्टीपल स्केलेरोसिस जैसी बीमारियों के इलाज के एक तरीके के रूप में वादा दिखाया है।

इसके अलावा, क्योंकि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को इंजेक्ट किए जाने से पहले जीवित, जैविक कोशिकाओं के साथ एकीकृत किया जाता है, उन पर शरीर की प्रतिरक्षा प्रणाली द्वारा हमला नहीं किया जाता है और वे इसे बरकरार रखते हुए रक्त-मस्तिष्क बाधा को पार कर सकते हैं। यह मस्तिष्क की बैरियर की महत्वपूर्ण सुरक्षा को बनाए रखता है।

शोधकर्ताओं ने मस्तिष्क की सूजन को लक्षित करने के लिए इस तकनीक के उपयोग का प्रदर्शन किया, जिसे वे “सर्कुलेट्रोनिक्स” कहते हैं, जो कई न्यूरोलॉजिकल रोगों की प्रगति का एक प्रमुख कारक है। वे दिखाते हैं कि प्रत्यारोपण मस्तिष्क के अंदर लक्ष्य क्षेत्र के आसपास कई माइक्रोन के भीतर उच्च परिशुद्धता प्राप्त करते हुए स्थानीयकृत न्यूरोमॉड्यूलेशन प्रदान कर सकते हैं।

इसके अलावा, बायोकम्पैटिबल इम्प्लांट आसपास के न्यूरॉन्स को नुकसान नहीं पहुंचाते हैं।

एमआईटी मीडिया लैब और एमआईटी सेंटर फॉर न्यूरोबायोलॉजिकल इंजीनियरिंग में एटीएंडटी कैरियर डेवलपमेंट एसोसिएट प्रोफेसर, नैनो-साइबरनेटिक बायोट्रेक लैब के प्रमुख और काम पर एक अध्ययन के वरिष्ठ लेखक देबलीना सरकार का कहना है कि जबकि मस्तिष्क प्रत्यारोपण के लिए आमतौर पर चिकित्सा लागत और जोखिम भरी सर्जिकल प्रक्रियाओं में सैकड़ों हजारों डॉलर की आवश्यकता होती है, सर्कुलेट्रोनिक्स तकनीक सर्जरी की आवश्यकता को समाप्त करके चिकित्सीय मस्तिष्क प्रत्यारोपण को सभी के लिए सुलभ बनाने की क्षमता रखती है।

पेपर में उनके साथ मुख्य लेखक एमआईटी स्नातक छात्र शुभम यादव, साथ ही एमआईटी, वेलेस्ले कॉलेज और हार्वर्ड विश्वविद्यालय के अन्य लोग भी शामिल हैं। शोध में प्रकाशित किया गया है प्रकृति जैव प्रौद्योगिकी.

हाइब्रिड प्रत्यारोपण

टीम छह साल से अधिक समय से सर्कुलेट्रोनिक्स पर काम कर रही है। इलेक्ट्रॉनिक उपकरण, जिनमें से प्रत्येक चावल के दाने की लंबाई का लगभग एक अरबवां हिस्सा है, एक इलेक्ट्रॉनिक हेटरोस्ट्रक्चर बनाने के लिए धातु की परतों के बीच कार्बनिक अर्धचालक बहुलक परतों से बने होते हैं।

इन्हें MIT.nano सुविधाओं में CMOS-संगत प्रक्रियाओं का उपयोग करके निर्मित किया जाता है, और फिर सेल-इलेक्ट्रॉनिक्स हाइब्रिड बनाने के लिए जीवित कोशिकाओं के साथ एकीकृत किया जाता है। ऐसा करने के लिए, शोधकर्ता उपकरणों को सिलिकॉन वेफर से उठाते हैं जिस पर वे निर्मित होते हैं, ताकि वे एक समाधान में स्वतंत्र रूप से तैर सकें।

सरकार कहते हैं, “जब इलेक्ट्रॉनिक्स सब्सट्रेट से जुड़े थे तो उन्होंने पूरी तरह से काम किया, लेकिन जब हमने मूल रूप से उन्हें हटा दिया, तो उन्होंने काम नहीं किया। उस चुनौती को हल करने में हमें एक साल से अधिक समय लगा।”

उनके संचालन की कुंजी छोटे इलेक्ट्रॉनिक्स की उच्च वायरलेस पावर रूपांतरण दक्षता है। यह उपकरणों को मस्तिष्क के अंदर गहराई से काम करने में सक्षम बनाता है और फिर भी न्यूरोमॉड्यूलेशन के लिए पर्याप्त ऊर्जा का उपयोग करता है।

शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को कोशिकाओं से जोड़ने के लिए एक रासायनिक प्रतिक्रिया का उपयोग किया। नए अध्ययन में, उन्होंने इलेक्ट्रॉनिक्स को मोनोसाइट्स नामक एक प्रकार की प्रतिरक्षा कोशिका के साथ जोड़ा, जो शरीर में सूजन वाले क्षेत्रों को लक्षित करती है। उन्होंने एक फ्लोरोसेंट डाई भी लगाई, जिससे उन्हें उपकरणों का पता लगाने की अनुमति मिली क्योंकि वे बरकरार रक्त-मस्तिष्क बाधा को पार कर गए थे और लक्ष्य मस्तिष्क क्षेत्र में आत्म-प्रत्यारोपित हो गए थे।

जबकि उन्होंने इस अध्ययन में मस्तिष्क की सूजन का पता लगाया, शोधकर्ताओं को मस्तिष्क के विशिष्ट क्षेत्रों को लक्षित करने के लिए विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं का उपयोग करने और कोशिकाओं को इंजीनियर करने की उम्मीद है।

सरकार कहते हैं, “हमारा सेल-इलेक्ट्रॉनिक्स हाइब्रिड इलेक्ट्रॉनिक्स की बहुमुखी प्रतिभा को जीवित कोशिकाओं के जैविक परिवहन और जैव रासायनिक संवेदन कौशल के साथ जोड़ता है।” “जीवित कोशिकाएं इलेक्ट्रॉनिक्स को छुपाती हैं ताकि उन पर शरीर की प्रतिरक्षा प्रणाली द्वारा हमला न किया जाए और वे रक्तप्रवाह के माध्यम से निर्बाध रूप से यात्रा कर सकें। यह उन्हें बरकरार रक्त-मस्तिष्क बाधा को आक्रामक रूप से खोलने की आवश्यकता के बिना निचोड़ने में भी सक्षम बनाता है।”

लगभग चार वर्षों के दौरान, टीम ने इस सेलुलर एकीकरण तकनीक को पूरा करने से पहले रक्त-मस्तिष्क बाधा को स्वायत्त रूप से और गैर-आक्रामक रूप से पार करने के लिए कई तरीकों की कोशिश की।

इसके अलावा, क्योंकि सर्कुलेट्रोनिक्स उपकरण बहुत छोटे होते हैं, वे पारंपरिक इलेक्ट्रोड की तुलना में बहुत अधिक सटीकता प्रदान करते हैं। वे स्वयं-प्रत्यारोपण कर सकते हैं, जिससे लाखों सूक्ष्म उत्तेजना स्थल बन जाते हैं जो लक्ष्य क्षेत्र का सटीक आकार लेते हैं।

उनका छोटा आकार भी जैव-संगत उपकरणों को हानिकारक प्रभाव पैदा किए बिना न्यूरॉन्स के साथ रहने में सक्षम बनाता है। बायोकम्पैटिबिलिटी परीक्षणों की एक श्रृंखला के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने पाया कि सर्कुलेट्रोनिक्स अनुभूति या गति के पीछे मस्तिष्क प्रक्रियाओं को प्रभावित किए बिना न्यूरॉन्स के बीच सुरक्षित रूप से एकीकृत हो सकता है।

लक्ष्य क्षेत्र में उपकरणों के स्व-प्रत्यारोपित होने के बाद, एक चिकित्सक या शोधकर्ता निकट-अवरक्त प्रकाश के रूप में विद्युत चुम्बकीय तरंगें प्रदान करने के लिए एक बाहरी ट्रांसमीटर का उपयोग करता है, जो प्रौद्योगिकी को शक्ति प्रदान करता है और न्यूरॉन्स की विद्युत उत्तेजना को सक्षम करता है।

जानलेवा बीमारियों पर निशाना

सरकार लैब वर्तमान में मस्तिष्क कैंसर, अल्जाइमर रोग और पुराने दर्द सहित कई बीमारियों के इलाज के लिए अपनी तकनीक विकसित करने पर काम कर रही है।

सर्कुलेट्रोनिक्स उपकरणों का छोटा आकार और स्व-प्रत्यारोपण क्षमताएं उन्हें ग्लियोब्लास्टोमा जैसे मस्तिष्क कैंसर के इलाज के लिए उपयुक्त बना सकती हैं जो कई स्थानों पर ट्यूमर का कारण बनते हैं, जिनमें से कुछ इमेजिंग तकनीकों से पहचानने के लिए बहुत छोटे हो सकते हैं। वे विशेष रूप से घातक कैंसर जैसे फैलाना आंतरिक पोंटीन ग्लियोमा के इलाज के लिए नए रास्ते भी प्रदान कर सकते हैं, जो मस्तिष्क स्टेम में पाया जाने वाला एक आक्रामक प्रकार का ट्यूमर है जिसे आमतौर पर शल्य चिकित्सा द्वारा हटाया नहीं जा सकता है।

सरकार का कहना है, “यह एक प्लेटफ़ॉर्म तकनीक है और इसका उपयोग कई मस्तिष्क रोगों और मानसिक बीमारियों के इलाज के लिए किया जा सकता है।” “इसके अलावा, यह तकनीक सिर्फ मस्तिष्क तक ही सीमित नहीं है, बल्कि भविष्य में इसे शरीर के अन्य हिस्सों तक भी बढ़ाया जा सकता है।”

शोधकर्ताओं को उम्मीद है कि हाल ही में लॉन्च किए गए स्टार्टअप काहिरा टेक्नोलॉजीज के माध्यम से प्रौद्योगिकी को तीन साल के भीतर नैदानिक ​​​​परीक्षणों में स्थानांतरित किया जाएगा।

वे अपने उपकरणों में अतिरिक्त नैनोइलेक्ट्रॉनिक सर्किट के एकीकरण की भी खोज कर रहे हैं ताकि सेंसिंग, ऑन-चिप डेटा विश्लेषण पर आधारित फीडबैक और सिंथेटिक इलेक्ट्रॉनिक न्यूरॉन्स बनाने जैसी क्षमताओं को सक्षम किया जा सके।

“हमारे छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरण न्यूरॉन्स के साथ निर्बाध रूप से एकीकृत होते हैं और मस्तिष्क कोशिकाओं के साथ सह-जीवित और सह-अस्तित्व में रहते हैं, जिससे एक अद्वितीय मस्तिष्क-कंप्यूटर सहजीवन बनता है। हम तंत्रिका रोगों के इलाज के लिए इस तकनीक को नियोजित करने के लिए समर्पित रूप से काम कर रहे हैं, जहां दवाएं या मानक उपचार विफल हो जाते हैं, मानव पीड़ा को कम करने और एक ऐसे भविष्य की कल्पना करने के लिए जहां मनुष्य बीमारियों और जैविक सीमाओं से परे जा सकते हैं, “सरकार कहते हैं।

यह कहानी एमआईटी न्यूज़ के सौजन्य से पुनः प्रकाशित की गई है (web.mit.edu/newsoffice/), एक लोकप्रिय साइट जो एमआईटी अनुसंधान, नवाचार और शिक्षण के बारे में समाचार कवर करती है।