Deep brain stimulation (DBS), jossa aivoihin istutetut elektrodit välittävät sähköisiä impulsseja tiettyihin kohteisiin, on tehokas kliininen hoito useisiin neurologisiin tiloihin. DBS:ää käytetään tällä hetkellä liikehäiriöiden, kuten Parkinsonin taudin, essentiaalisen vapinan ja dystonian, sekä sairauksien, kuten epilepsian ja pakko-oireisen häiriön, hoitoon. Hoito kuitenkin edellyttää aivoleikkausta stimulaatioelektrodien asettamiseksi, mikä voi aiheuttaa lukuisia sivuvaikutuksia.
Pohangin tiede- ja teknologiayliopiston tutkijat poistavat invasiivisen leikkauksen tarpeen (POSTECH) Koreassa kehittävät ei-invasiivista hermostimulaatiostrategiaa, joka perustuu pietsosähköisiin nanopartikkeleihin. Nanohiukkasilla on kaksi tehtävää – veri-aivoesteen (BBB) ohimenevä avaaminen ja dopamiinin vapautumisen stimulointi – molempia ohjataan ulkoisesti kohdistetulla ultraäänellä.
Pietsosähköiset nanohiukkaset ovat kiinnostavia hermostimulaattoreina, koska ne muuttavat muotoaan ja tuottavat tasavirtaa vasteena ulkoisille ärsykkeille, kuten esimerkiksi ultraäänelle. Tutkijat ehdottavat, että tätä virtaa voitaisiin sitten käyttää stimuloimaan dopaminergisiä hermosoluja vapauttamaan välittäjäaineita.
Yksi keskeinen haaste on nanohiukkasten toimittaminen aivoihin, erityisesti kuinka saada ne BBB:n läpi. Tämän saavuttamiseksi tutkijat käyttivät typpioksidia (NO), erittäin reaktiivista molekyyliä, joka osoittaa mahdollisen BBB-häiriön. He suunnittelivat monitoimijärjestelmän, joka on kuvattu julkaisussa Luonnon biolääketieteellinen tekniikka, joka käsittää bariumtitanaattinanohiukkasen, joka on päällystetty NO:ta vapauttavalla BNN6:lla ja polydopamiinilla (pDA). Vasteena ultraäänelle näiden nanohiukkasten pitäisi tuottaa sekä NO:ta että tasavirtaa.
Pääkirjoittaja testaa heidän lähestymistapaansa Voitti Jong Kimin ja kollegat tutkivat ensin nanohiukkasten kykyä vapauttaa NO:ta. Vasteena 5 sekuntia korkean intensiteetin fokusoidulle ultraäänelle (HIFU) nanohiukkaset vapauttivat NO:ta välittömästi. He arvioivat myös pietsosähköistä käyttäytymistä käyttämällä patch-clamp-kokoonpanoa. Vaikka liuottimessa ilman pDA-päällystettyjä nanopartikkeleita ei ilmennyt virtapiikkejä, nanopartikkelien läsnä ollessa havaittiin erottuvia virtapiikkejä, joiden voimakkuus oli verrannollinen ultraäänen intensiteettiin.
DBS:n oletetaan stimuloivan sähköisesti hermostoa avaamalla Ca2+ läheisten hermosolujen kanavia ja kiihdyttää sitten välittäjäaineiden vapautumista synapsissa. Tutkiakseen, voisiko nanohiukkasten tuottama virta tarjota samanlaista hermostimulaatiota, ryhmä seurasi Ca:ta2+ hermosolujen kaltaisten solujen dynamiikkaa. Solunsisäinen Ca2+ pitoisuus kasvoi merkittävästi soluissa, jotka saivat sekä nanopartikkeleita että ultraääntä, kun taas joko ultraäänellä tai nanohiukkasilla ei yksinään ollut vaikutusta.
Ultraäänistimuloiduilla nanopartikkeleilla käsitellyt solut tuottivat myös lisääntynyttä solunulkoista dopamiinipitoisuutta, mikä osoittaa Ca2+ sisäänvirtauksen välittämä välittäjäaineiden vapautuminen. Jälleenkään mitään merkittävää muutosta ei havaittu ultraäänellä tai pelkästään nanohiukkasilla. Testit, joissa käytettiin ei-pietsosähköisiä nanohiukkasia, osoittivat merkityksettömiä muutoksia Ca:ssa2+ sisäänvirtaus ja välittäjäaineiden vapautuminen, mikä osoittaa, että nämä vaikutukset syntyvät ensisijaisesti vasteena pietsosähköiselle stimulaatiolle.
Seuraavaksi tutkijat suorittivat sarjan in vivo opinnot. NO-välitteisen BBB:n avautumisen tutkimiseksi he injektoivat hiirille suonensisäisesti NO:ta vapauttavia pietsosähköisiä nanopartikkeleita ja levittivät sitten HIFU:ta kohdennettuihin aivokohtiin ultraääniohjauksessa.
Kaksi tuntia injektion jälkeen transmissioelektronimikroskooppi paljasti merkittävästi suurempia määriä nanopartikkeleita, jotka kertyivät eläinten aivoihin verrattuna kontrolliryhmiin, mikä osoitti, että NO:n vapautuminen häiritsi väliaikaisesti BBB:n tiukat liitokset. Tutkijat osoittivat myös, että 2 tuntia HIFU:n levittämisen jälkeen BBB ei ollut enää läpäisevä, mikä vahvisti, että NO-välitteinen BBB-häiriö on vain väliaikainen.
Lopuksi ryhmä arvioi nanopartikkelien terapeuttisia vaikutuksia Parkinsonin taudin hiirimallilla. Hiiriin injektoitiin nanopartikkeleita, mitä seurasi useita HIFU:n levityksiä subtalamuksen ytimeen (USA:n elintarvike- ja lääkeviraston hyväksymä DBS-kohdistuspaikka) dopamiinitasojen palauttamiseksi aivoissa.
Ultraääniohjattuja nanopartikkeleita käyttävä DBS paransi eläinten käyttäytymistoimintoja, mukaan lukien motorista koordinaatiota ja liikkumisaktiivisuutta. Hiirten motoriset toiminnot paranivat asteittain päivittäisellä HIFU-stimulaatiolla 10 päivän ajan, ja liikkumisaktiivisuus palautui melkein 16. päivään mennessä. Ryhmä olettaa, että pietsosähköiset nanohiukkaset aiheuttivat välittäjäaineiden vapautumista, mikä lievitti merkittävästi Parkinsonin taudin oireita aiheuttamatta merkittävää toksisuutta. .
Henkilökohtainen aivostimulaatio voi hoitaa hoitamatonta masennusta
"Toivomme, että ultraääniherkistä NO:ta vapauttavista pietsosähköisistä nanopartikkeleista voidaan kehittää edelleen minimaalisesti invasiivisia terapeuttisia lähestymistapoja neurodegeneratiivisten sairauksien hoitoon", he päättelevät.
Ryhmä käyttää nyt perustutkimuksia selvittääkseen NO-välitteisen BBB:n avautumisen taustalla olevat mekanismit. "Kehitämme myös seuraavan sukupolven NO-moduloivia materiaaleja maksimoidaksemme niiden kliinisen käytön ja minimoiden samalla niiden ei-toivotut sivuvaikutukset", selittää ensimmäinen kirjoittaja. Taejeong Kim.
