تحریک عمقی مغز (DBS)، که در آن الکترودهای کاشته شده در مغز، تکانه های الکتریکی را به اهداف خاص می رساند، یک درمان بالینی موثر برای چندین بیماری عصبی است. DBS در حال حاضر برای درمان اختلالات حرکتی مانند بیماری پارکینسون، لرزش اساسی و دیستونی و همچنین بیماری هایی مانند صرع و اختلال وسواس فکری-اجباری استفاده می شود. درمان، با این حال، نیاز به جراحی مغز برای قرار دادن الکترودهای تحریک، با پتانسیل ایجاد عوارض جانبی متعدد دارد.
برای رفع نیاز به جراحی تهاجمی، محققان دانشگاه علم و صنعت پوهانگ (پستچدر کره در حال توسعه یک استراتژی تحریک عصبی غیر تهاجمی بر اساس نانوذرات پیزوالکتریک هستند. نانوذرات دو عملکرد را انجام می دهند - باز کردن موقت سد خونی مغزی (BBB) و تحریک آزادسازی دوپامین - که هر دو توسط سونوگرافی متمرکز خارجی کنترل می شوند.
نانوذرات پیزوالکتریک به‌عنوان محرک‌های عصبی مورد توجه هستند، زیرا در پاسخ به محرک‌های خارجی – مانند امواج فراصوت – تغییر شکل داده و جریان مستقیم تولید می‌کنند. محققان پیشنهاد می‌کنند که این جریان می‌تواند برای تحریک نورون‌های دوپامینرژیک برای آزاد کردن انتقال‌دهنده‌های عصبی مورد استفاده قرار گیرد.
یکی از چالش‌های کلیدی، رساندن نانوذرات به مغز، به‌ویژه نحوه انتقال آنها به BBB است. برای دستیابی به این هدف، محققان به اکسید نیتریک (NO)، یک مولکول بسیار واکنش پذیر که پتانسیل اختلال BBB را نشان می دهد، روی آوردند. آنها یک سیستم چند منظوره طراحی کردند که در شرح داده شده در مهندسی پزشکی بیولوژیکی، شامل یک نانوذره تیتانات باریم است که با BNN6 آزاد کننده NO و پلی دوپامین (pDA) پوشیده شده است. در پاسخ به امواج فراصوت، این نانوذرات باید هم NO و هم جریان مستقیم تولید کنند.
برای آزمایش رویکرد آنها، نویسنده اصلی وون جونگ کیم و همکاران ابتدا توانایی نانوذرات در آزادسازی NO را بررسی کردند. در پاسخ به 5 ثانیه اولتراسوند متمرکز با شدت بالا (HIFU)، نانوذرات فوراً NO را آزاد کردند. آنها همچنین رفتار پیزوالکتریک را با استفاده از تنظیم گیره پچ ارزیابی کردند. در حالی که حلال بدون نانوذرات پوشش داده شده با pDA هیچ سنبله‌ای از خود نشان نمی‌دهد، در حضور نانوذرات، سنبله‌های جریان متمایز با شدت‌های متناسب با شدت اولتراسوند دیده می‌شود.
DBS فرض بر این است که سیستم عصبی را با باز کردن کلسیم تحریک الکتریکی می کند2+ کانال های نورون های مجاور و سپس تسریع انتشار انتقال دهنده های عصبی در سیناپس. برای بررسی اینکه آیا جریان تولید شده توسط نانوذرات می‌تواند تحریک عصبی مشابهی ایجاد کند، تیم کلسیم را زیر نظر گرفت.2+ پویایی سلول های نورون مانند کلسیم داخل سلولی2+ غلظت به طور قابل توجهی در سلول های دریافت کننده نانوذرات و اولتراسوند افزایش یافت، در حالی که اولتراسوند یا نانوذرات به تنهایی هیچ تاثیری نداشتند.
سلول‌های تیمار شده با نانوذرات تحریک‌شده با امواج فراصوت نیز غلظت خارج سلولی دوپامین را افزایش دادند که نشان‌دهنده کلسیم است.2+ انتشار ناقل عصبی با واسطه هجوم باز هم، هیچ تغییر قابل توجهی با اولتراسوند یا نانوذرات به تنهایی مشاهده نشد. آزمایشات با استفاده از نانوذرات غیر پیزوالکتریک تغییرات ناچیزی را در کلسیم نشان داد2+ هجوم و انتشار انتقال دهنده عصبی، نشان می دهد که این اثرات در درجه اول در پاسخ به تحریک پیزوالکتریک ایجاد می شود.
محققان در مرحله بعد یک سری از در داخل بدن مطالعات. برای بررسی باز شدن BBB با واسطه NO، آنها به موش‌ها به صورت داخل وریدی نانوذرات پیزوالکتریک آزادکننده NO تزریق کردند و سپس HIFU را تحت هدایت اولتراسوند در محل‌های هدف مغز اعمال کردند.
دو ساعت پس از تزریق، میکروسکوپ الکترونی عبوری مقادیر قابل‌توجهی از نانوذرات انباشته شده در مغز حیوانات را در مقایسه با گروه‌های کنترل نشان داد و نشان داد که انتشار NO به طور موقت اتصالات محکم در BBB را مختل می‌کند. محققان همچنین نشان دادند که 2 ساعت پس از استفاده از HIFU، BBB دیگر قابل نفوذ نیست، و تایید می کند که اختلال BBB با واسطه NO فقط موقتی است.
در نهایت، تیم تحقیقاتی اثرات درمانی نانوذرات را با استفاده از مدل موش بیماری پارکینسون ارزیابی کردند. به موش ها نانوذرات تزریق شد و به دنبال آن کاربردهای متعدد HIFU در هسته ساب تالاموس (محل هدف گذاری DBS مورد تایید سازمان غذا و داروی ایالات متحده) برای بازگرداندن سطح دوپامین در مغز انجام شد.
DBS با استفاده از نانوذرات اولتراسوند عملکردهای رفتاری حیوانات از جمله هماهنگی حرکتی و فعالیت حرکتی را افزایش داد. موش‌ها با تحریک روزانه HIFU به مدت 10 روز بهبود تدریجی در عملکرد حرکتی نشان دادند، با فعالیت حرکتی تقریباً در روز 16 بازسازی شد. تیم فرض می‌کند که نانوذرات پیزوالکتریک باعث آزاد شدن انتقال‌دهنده‌های عصبی می‌شوند که به طور قابل‌توجهی علائم بیماری پارکینسون را بدون ایجاد سمیت قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. .
تحریک شخصی مغز می تواند افسردگی غیر قابل درمان را درمان کند
آنها نتیجه می‌گیرند: «ما امیدواریم که نانوذرات پیزوالکتریک آزادکننده NO پاسخگو به اولتراسوند را بتوان به روش‌های درمانی کم تهاجمی برای درمان بیماری‌های عصبی توسعه داد.»
این گروه اکنون در حال استفاده از مطالعات بنیادی برای تعیین مکانیسم های اساسی برای باز کردن BBB با واسطه NO است. نویسنده اول توضیح می دهد: "ما همچنین در حال توسعه نسل بعدی مواد تعدیل کننده NO هستیم تا استفاده بالینی آنها را به حداکثر برسانیم و همچنین عوارض جانبی ناخواسته آنها را به حداقل برسانیم." تهجونگ کیم.
