La stimolazione cerebrale profonda (DBS), in cui gli elettrodi impiantati nel cervello forniscono impulsi elettrici a obiettivi specifici, è un trattamento clinico efficace per diverse condizioni neurologiche. La DBS è attualmente utilizzata per trattare i disturbi del movimento come il morbo di Parkinson, il tremore essenziale e la distonia, nonché condizioni come l'epilessia e il disturbo ossessivo-compulsivo. Il trattamento, tuttavia, richiede un intervento chirurgico al cervello per inserire gli elettrodi di stimolazione, con il potenziale di causare numerosi effetti collaterali.
Per eliminare la necessità di interventi chirurgici invasivi, i ricercatori della Pohang University of Science and Technology (POSTECH) in Corea stanno sviluppando una strategia di stimolazione neurale non invasiva basata su nanoparticelle piezoelettriche. Le nanoparticelle svolgono due funzioni: apertura transitoria della barriera emato-encefalica (BBB) e stimolazione del rilascio di dopamina, entrambe controllate da ultrasuoni focalizzati applicati esternamente.
Le nanoparticelle piezoelettriche sono interessanti come stimolatori neurali perché in risposta a stimoli esterni, come ad esempio gli ultrasuoni, si deformano ed emettono corrente continua. I ricercatori propongono che questa corrente possa essere utilizzata per stimolare i neuroni dopaminergici a rilasciare neurotrasmettitori.
Una sfida chiave è consegnare le nanoparticelle al cervello, in particolare, come farle attraversare il BBB. Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori si sono rivolti all'ossido nitrico (NO), una molecola altamente reattiva che mostra il potenziale per l'interruzione del BBB. Hanno progettato un sistema multifunzionale, descritto in Natura Ingegneria Biomedica, comprendente una nanoparticella di titanato di bario rivestita con BNN6 a rilascio di NO e polidopamina (pDA). In risposta agli ultrasuoni, queste nanoparticelle dovrebbero generare sia NO che corrente continua.
Per testare il loro approccio, autore principale Ha vinto Jong Kim e colleghi hanno prima studiato la capacità delle nanoparticelle di rilasciare NO. In risposta a 5 s di ultrasuoni focalizzati ad alta intensità (HIFU), le nanoparticelle hanno rilasciato istantaneamente NO. Hanno anche valutato il comportamento piezoelettrico utilizzando una configurazione patch-clamp. Mentre il solvente senza nanoparticelle rivestite con pDA non ha mostrato picchi di corrente, in presenza delle nanoparticelle, sono stati osservati picchi di corrente distintivi con intensità proporzionali all'intensità degli ultrasuoni.
Si ipotizza che la DBS stimoli elettricamente il sistema nervoso aprendo Ca2+ canali dei neuroni vicini e quindi accelerare il rilascio di neurotrasmettitori a livello della sinapsi. Per verificare se la corrente generata da nanoparticelle potesse fornire una stimolazione neurale simile, il team ha monitorato il Ca2+ dinamica delle cellule simil-neuronali. Ca intracellulare2+ la concentrazione è aumentata significativamente nelle cellule che ricevono sia nanoparticelle che ultrasuoni, mentre gli ultrasuoni o le nanoparticelle da sole non hanno avuto alcun effetto.
Le cellule trattate con nanoparticelle stimolate dagli ultrasuoni hanno anche generato un aumento della concentrazione extracellulare di dopamina, indicando Ca2+ rilascio di neurotrasmettitore mediato dall'afflusso. Ancora una volta, non è stato osservato alcun cambiamento significativo né con gli ultrasuoni né con le nanoparticelle da sole. I test che utilizzano nanoparticelle non piezoelettriche hanno mostrato cambiamenti insignificanti in Ca2+ afflusso e rilascio di neurotrasmettitori, indicando che questi effetti sorgono principalmente in risposta alla stimolazione piezoelettrica.
Successivamente i ricercatori hanno eseguito una serie di in vivo studi. Per studiare l'apertura BBB mediata da NO, hanno iniettato per via endovenosa topi con nanoparticelle piezoelettriche a rilascio di NO e quindi hanno applicato HIFU a siti cerebrali mirati sotto guida ecografica.
Due ore dopo l'iniezione, la microscopia elettronica a trasmissione ha rivelato quantità significativamente più elevate di nanoparticelle accumulate all'interno del cervello degli animali rispetto ai gruppi di controllo, dimostrando che il rilascio di NO interrompeva temporaneamente le giunzioni strette nel BBB. I ricercatori hanno anche dimostrato che 2 ore dopo l'applicazione di HIFU, la BBB non era più permeabile, confermando che l'interruzione della BBB mediata da NO è solo temporanea.
Infine, il team ha valutato gli effetti terapeutici delle nanoparticelle utilizzando un modello murino del morbo di Parkinson. Ai topi sono state iniettate nanoparticelle seguite da molteplici applicazioni di HIFU nel nucleo subtalamico (il sito di targeting DBS approvato dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti) per ripristinare i livelli di dopamina nel cervello.
La DBS che utilizza le nanoparticelle guidate dagli ultrasuoni ha migliorato le funzioni comportamentali degli animali, tra cui la coordinazione motoria e l'attività locomotoria. I topi hanno mostrato un graduale miglioramento della funzione motoria con la stimolazione HIFU quotidiana per 10 giorni, con l'attività locomotoria quasi ripristinata entro il giorno 16. Il team ipotizza che le nanoparticelle piezoelettriche abbiano indotto il rilascio di neurotrasmettitori, che ha alleviato in modo significativo i sintomi del morbo di Parkinson senza causare alcuna tossicità significativa .
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“Speriamo che le nanoparticelle piezoelettriche a rilascio di NO che rispondono agli ultrasuoni possano essere ulteriormente sviluppate in approcci terapeutici minimamente invasivi per il trattamento delle malattie neurodegenerative”, concludono.
Il gruppo sta ora impiegando studi fondamentali per determinare i meccanismi alla base dell'apertura BBB mediata da NO. "Stiamo anche sviluppando materiali NO-modulatori di nuova generazione per massimizzarne l'uso clinico riducendo al minimo gli effetti collaterali indesiderati", spiega il primo autore Taijeong Kim.
