КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 24-79-00271
НазваниеМозг на чипе: платформа для беспроводной нейромодуляции
Руководитель Марков Александр Геннадьевич, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет) , г Москва
Конкурс №97 - Конкурс 2024 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-609 - Автоматизированные комплексы для биологии и медицины
Ключевые слова Лаборатория на чипе, мозг на чипе, микрофлюидика, нейростимуляция, беспроводная стимуляция, биосенсорика
Код ГРНТИ76.03.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Последние достижения в области биоматериалов, микрофабрикации, микрофлюидики и клеточной биологии привели к созданию устройств "орган-на-чипе", которые могут воспроизводить ключевые функции различных органов. Такие платформы обещают дать новые знания о различных физиологических явлениях, включая механизмы заболеваний, и оценить последствия внешних вмешательств, таких как эффекты стимуляции живых тканей. Ожидается, что эти инновационные инструменты принесут большую пользу области нейронаук. Традиционные исследования нервной системы ex vivo ограничены неспособностью культуры клеток адекватно имитировать физиологию in vivo. Хотя для этих целей могут быть использованы животные модели, их релевантность физиологии человека неясна, а их использование трудоемко и связано с этическими проблемами. На сегодняшний день разработаны системы "орган-на-чипе" для моделирования различных тканевых компонентов мозга, включая области мозга со специфическими функциями и гематоэнцефалический барьер, как в нормальных, так и в патофизиологических условиях. Хотя эта область все еще находится в зачаточном состоянии, ожидается, что в будущем она окажет значительное влияние на исследования в области нейрофизиологии, биосенсорики и биостимуляции.
Травматическое повреждение головного мозга является одной из основных причин инвалидности, связанной с когнитивными и неврологическими нарушениями, а также психологическими расстройствами. Только в последнее время доклинические исследования методов электростимуляции, и в особенности беспроводной стимуляции, как потенциального метода лечения последствий таких повреждений стали набирать обороты. Повышение внутриклеточного кальция после травмы растяжения является хорошо известной реакцией и ответственно за запуск многочисленных каскадов клеточной смерти тканей мозга. Прямая электрическая нейростимуляция является одним из способов предотвратить возникновение каскада клеточной смерти. Исследования эффекта различных процессов стимуляции на поврежденные клетки мозга с помощью микрофлюидной системы с обратной связью смогут дать качественную оценку нейромодуляции.
Коллектив проекта предлагает инновационное решение проблемы беспроводной стимуляции нейронов и срезов мозга с помощью микрофлюидного устройства для высокопроизводительных прецизионных экспериментов, которое можно надежно использовать для исследования механизмов отклика нейронов на оптоэлектронную стимуляцию. В перспективе это позволит определить эффекты нейромодуляции на распространение каскадов клеточной смерти вследствие травматического повреждения головного мозга. Предлагаемая платформа имеет три заметных преимущества по сравнению со стандартными микрофлюидными платформами: (i) практичный, но точный контроль интенсивности постоянного электрического поля с помощью микрофлюидной архитектуры, (ii) снижение негативного влияния электрохимических фарадеевских реакций благодаря органическим и полностью биосовместимым материалам полупроводниковых элементов для стимуляции и (iii) параллельному считыванию активности клеток, как отклик на стимуляцию, то есть биосенсорики.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В течение первого года работы над исследовательским проектом были получены следующие результаты:
(I) В ходе выполнения проекта была успешно разработана и апробирована инновационная платформа "мозг на чипе" для беспроводной нейромодуляции, сочетающая микрофлюидные технологии и органическую электронику. Ключевым достижением стало создание микрофлюидного устройства с интегрированными органическими полупроводниками, демонстрирующего беспрецедентную эффективность преобразования световой энергии в электрические импульсы. Экспериментально подтверждена возможность направленной стимуляции клеточных культур глиобластомы линии U87 с использованием разработанной системы. При комбинированном воздействии темозоломида и оптоэлектронной стимуляции достигнута 95% гибель опухолевых клеток, что подтверждено морфологическим анализом и статистической обработкой данных.
(II) Разработана и оптимизирована оригинальная методика изготовления органических электродов методом многослойной фотолитографии с использованием позитивного фоторезиста ФП 9120-1. Установлены оптимальные параметры процесса: центрифугирование при 3000 об/мин в течение 60 секунд, экспонирование УФ-излучением мощностью 40 мДж/см² в течение 0,7 секунд. Созданы многослойные органические электролитические фотоконденсаторы (МОЭК) с последовательным нанесением фталоцианина (H2Pc) и N,N'-диметилперилентетракарбонового диалкида (PTCDI) толщиной 30 нм каждый, что подтверждено измерениями с помощью кварцевого кристаллического микробаланса.
(III) Проведенные эксперименты выявили пространственные закономерности распределения клеток на электродах: центральная часть характеризуется редкими одиночными клетками, тогда как периферические зоны демонстрируют повышенную плотность клеточных скоплений. Разработана стандартизированная методика подготовки клеточных культур, включающая ультрафиолетовое облучение в течение 20 минут и посев с плотностью 5,76 млн клеток на флакон T75 см². Статистический анализ с использованием двустороннего дисперсионного анализа (ANOVA) и теста Тьюки подтвердил достоверность полученных результатов (p < 0,05) на выборке из 5 биологических повторностей для каждого варианта обработки.
(IV) Созданная экспериментальная установка для оптоэлектронной стимуляции продемонстрировала высокую воспроизводимость результатов и стабильность параметров в течение 72 часов непрерывной работы. Полученные результаты открывают новые перспективы для разработки неинвазивных методов лечения глиобластомы, сочетающих молекулярные и физические подходы. Установленный синергический эффект комбинированного воздействия темозоломида и электростимуляции представляет собой значительный прорыв в области нейроонкологии.
(V) По результатам проведённых исследований опубликована статья в журнале «Медицинская техника», 2025, № 2 (350) «Микрофлюидный чип с функцией беспроводной нейромодуляции клеток». В данной работе продемонстрирован двухкамерный микрофлюидный чип с функцией беспроводной стимуляции оптоэлектронное для исследования в области комбинированной лекарственной терапии рака по принципу «мозг на чипе». Продемонстрирована стабильность оптоэлектронной части чипа при длительном использовании в течение 90 минут при потоке в 0,5 мл/мин. Результаты работы важны для клинической медицины и исследовательской деятельности. В статье указано, что исследование выполнено при поддержке Российского Научного Фонда (РНФ № 24-79-00271 от 31.07.2024).
Публикации
1. Галястов А.А., Юсуповская Е.А., Исаев Н.Р., Марков А.Г., Телышев Д.В. Microfluidic chip with wireless cell neuromodulation function Biomedical Engineering, Galiastov A.A., Iusupovskaia E.A., Isaev N.S. et al. Microfluidic chip with wireless cell neuromodulation function. Biomed Eng (2025) (год публикации - 2025)