גירוי מוחי עמוק (DBS), שבו אלקטרודות המושתלות במוח מספקות דחפים חשמליים למטרות ספציפיות, הוא טיפול קליני יעיל למספר מצבים נוירולוגיים. DBS משמש כיום לטיפול בהפרעות תנועה כגון מחלת פרקינסון, רעד חיוני ודיסטוניה, וכן במצבים כמו אפילפסיה והפרעה טורדנית-קומפולסיבית. הטיפול, לעומת זאת, מחייב ניתוח מוח להחדרת אלקטרודות הגירוי, עם פוטנציאל לגרום לתופעות לוואי רבות.
כדי להסיר את הצורך בניתוח פולשני, חוקרים מאוניברסיטת פוהאנג למדע וטכנולוגיה (פוסטק) בקוריאה מפתחים אסטרטגיית גירוי עצבית לא פולשנית המבוססת על ננו-חלקיקים פיזואלקטריים. הננו-חלקיקים משרתים שני פונקציות - פתיחה חולפת של מחסום הדם-מוח (BBB) וגירוי שחרור דופמין - שניהם נשלטים על ידי אולטרסאונד ממוקד חיצוני.
חלקיקים פיזואלקטריים מעניינים כממריצים עצביים מכיוון שבתגובה לגירויים חיצוניים - כמו אולטרסאונד, למשל - הם מעוותים ומוציאים זרם ישר. החוקרים מציעים שניתן יהיה להשתמש בזרם הזה כדי לעורר נוירונים דופמינרגיים לשחרר נוירוטרנסמיטורים.
אתגר מרכזי אחד הוא העברת הננו-חלקיקים למוח, ובמיוחד איך להעביר אותם מעבר ל-BBB. כדי להשיג זאת, החוקרים פנו לתחמוצת החנקן (NO), מולקולה תגובתית מאוד שמראה פוטנציאל לשיבוש BBB. הם תכננו מערכת רב תכליתית, המתוארת ב הנדסה ביו רפואית, הכוללת ננו-חלקיק בריום טיטנאט המצופה ב-NO-משחרר BNN6 ופולידופמין (pDA). בתגובה לאולטרסאונד, חלקיקים אלו צריכים ליצור NO וגם זרם ישר.
כדי לבדוק את הגישה שלהם, המחבר הראשי זכה בג'ונג קים ועמיתיו חקרו לראשונה את יכולת הננו-חלקיקים לשחרר NO. בתגובה ל-5 שניות של אולטרסאונד ממוקד בעוצמה גבוהה (HIFU), הננו-חלקיקים שחררו מיידית NO. הם גם העריכו את ההתנהגות הפיזואלקטרית באמצעות מערך מהדק תיקון. בעוד ממס ללא ננו-חלקיקים מצופים ב-pDA לא הציג קוצים זרם, בנוכחות הננו-חלקיקים, נראו קוצים זרם ייחודיים בעוצמות פרופורציונליות לעוצמת האולטרסאונד.
ההשערה של DBS מגרה חשמלית את מערכת העצבים על ידי פתיחת Ca2+ ערוצים של נוירונים סמוכים ולאחר מכן האצת שחרור הנוירוטרנסמיטר בסינפסה. כדי לחקור אם זרם שנוצר על ידי ננו-חלקיקים יכול לספק גירוי עצבי דומה, הצוות עקב אחר ה-Ca2+ דינמיקה של תאים דמויי נוירון. תוך תאי Ca2+ הריכוז עלה באופן משמעותי בתאים המקבלים גם ננו-חלקיקים וגם אולטרסאונד, בעוד שלאולטרסאונד או ננו-חלקיקים בלבד לא הייתה כל השפעה.
תאים שטופלו בננו-חלקיקים מעוררי אולטרסאונד יצרו גם ריכוז חוץ-תאי מוגבר של דופמין, המעיד על Ca2+ שחרור נוירוטרנסמיטר בתיווך זרימה. שוב, לא נראה שינוי משמעותי עם אולטרסאונד או ננו-חלקיקים בלבד. בדיקות באמצעות ננו-חלקיקים לא פיזואלקטריים הראו שינויים לא משמעותיים ב-Ca2+ זרימה ושחרור נוירוטרנסמיטר, מה שמצביע על כך שהשפעות אלו מתעוררות בעיקר בתגובה לגירוי פיזואלקטרי.
בהמשך ביצעו החוקרים סדרה של in vivo לימודים. כדי לחקור פתיחת BBB בתיווך NO, הם הזריקו לעכברים תוך ורידי ננו-חלקיקים פיזואלקטריים המשחררים NO ולאחר מכן הפעילו HIFU לאתרי מוח ממוקדים בהנחיית אולטרסאונד.
שעתיים לאחר ההזרקה, מיקרוסקופ אלקטרונים של העברה חשפה כמויות גבוהות משמעותית של ננו-חלקיקים שהצטברו בתוך המוח של החיות בהשוואה לקבוצות ביקורת, מה שהוכיח ששחרור NO שיבש זמנית את הצמתים ההדוקים ב-BBB. החוקרים גם הראו ששעתיים לאחר יישום HIFU, ה-BBB כבר לא היה חדיר, מה שמאשר שהשיבוש ב-BBB בתיווך NO הוא זמני בלבד.
לבסוף, הצוות העריך את ההשפעות הטיפוליות של הננו-חלקיקים באמצעות מודל עכבר של מחלת פרקינסון. לעכברים הוזרקו ננו-חלקיקים ואחריהם יישומים מרובים של HIFU בגרעין התת-תלמי (אתר המיקוד של DBS המאושר על ידי מנהל המזון והתרופות האמריקאי) כדי לשחזר את רמות הדופמין במוח.
DBS באמצעות ננו-חלקיקים מונעי אולטרסאונד שיפר את תפקודי ההתנהגות של החיות, כולל תיאום מוטורי ופעילות תנועתית. העכברים הראו שיפור הדרגתי בתפקוד המוטורי עם גירוי HIFU יומי במשך 10 ימים, כאשר פעילות תנועתית כמעט שוחזרה עד היום ה-16. הצוות משער שהננו-חלקיקים הפיאזואלקטריים גרמו לשחרור נוירוטרנסמיטר, מה שהקל באופן משמעותי את הסימפטומים של מחלת פרקינסון מבלי לגרום לרעילות משמעותית כלשהי. .
גירוי מוחי מותאם אישית יכול לטפל בדיכאון בלתי ניתן לטיפול
"אנו מקווים שניתן לפתח עוד יותר חלקיקי ננו-אלקטריים פיזואלקטריים המגיבים על אולטרסאונד לכדי גישות טיפוליות זעיר פולשניות לטיפול במחלות נוירודגנרטיביות", הם מסכמים.
הקבוצה משתמשת כעת במחקרים בסיסיים כדי לקבוע את המנגנונים הבסיסיים לפתיחת BBB בתיווך NO. "אנו מפתחים גם חומרים מסוג NO-modulatory מהדור הבא כדי למקסם את השימוש הקליני שלהם תוך מזעור תופעות הלוואי הלא רצויות שלהם", מסביר המחבר הראשון טאג'ונג קים.
