뇌에 이식된 전극이 특정 목표에 전기 자극을 전달하는 심부 뇌 자극(DBS)은 여러 신경학적 상태에 대한 효과적인 임상 치료입니다. DBS는 현재 파킨슨병, 본태성 떨림, 근긴장 이상과 같은 운동 장애와 간질, 강박 장애와 같은 상태를 치료하는 데 사용됩니다. 그러나이 치료법은 자극 전극을 삽입하기 위해 뇌 수술을 필요로하며 수많은 부작용을 일으킬 가능성이 있습니다.
침습적 수술의 필요성을 없애기 위해 포항공과대학교 연구진(포스텍)은 압전 나노입자 기반의 비침습적 신경자극 전략을 개발하고 있다. 나노입자는 혈액-뇌 장벽(BBB)의 일시적인 개방과 도파민 방출 자극의 두 가지 기능을 수행합니다. 두 기능 모두 외부에서 적용되는 집중 초음파에 의해 제어됩니다.
압전 나노입자는 예를 들어 초음파와 같은 외부 자극에 반응하여 변형되어 직류를 출력하기 때문에 신경 자극제로서 관심을 끌고 있습니다. 연구원들은 이 전류가 도파민성 뉴런을 자극하여 신경전달물질을 방출하는 데 사용될 수 있다고 제안합니다.
핵심 과제 중 하나는 나노입자를 뇌에 전달하는 것, 특히 나노입자를 BBB에 전달하는 방법입니다. 이를 달성하기 위해 연구원들은 BBB 파괴 가능성을 보여주는 반응성이 높은 분자인 산화질소(NO)로 전환했습니다. 그들은 에 설명된 다기능 시스템을 설계했습니다. 자연 생체 공학, NO-방출 BNN6 및 폴리도파민(pDA)으로 코팅된 티탄산바륨 나노입자를 포함한다. 초음파에 반응하여 이러한 나노입자는 NO와 직류를 모두 생성해야 합니다.
접근 방식을 테스트하기 위해 수석 저자 김원종 그리고 동료들은 먼저 NO를 방출하는 나노입자의 능력을 조사했습니다. 5초의 고강도 집속 초음파(HIFU)에 반응하여 나노입자는 순간적으로 NO를 방출했습니다. 그들은 또한 패치 클램프 설정을 사용하여 압전 거동을 평가했습니다. pDA로 코팅된 나노입자가 없는 용매는 전류 스파이크를 나타내지 않았지만, 나노입자가 있는 경우 초음파 강도에 비례하는 강도로 뚜렷한 전류 스파이크가 나타났습니다.
DBS는 Ca를 열어 신경계를 전기적으로 자극한다고 가정합니다.2+ 근처 뉴런의 채널과 시냅스에서 신경 전달 물질 방출을 가속화합니다. 나노입자로 생성된 전류가 유사한 신경 자극을 제공할 수 있는지 여부를 조사하기 위해 연구팀은 Ca2+ 뉴런 유사 세포의 역학. 세포 내 Ca2+ 나노 입자와 초음파를 모두 받는 세포에서 농도가 크게 증가한 반면 초음파나 나노 입자 단독으로는 아무런 효과가 없었습니다.
초음파로 자극된 나노입자로 처리된 세포는 또한 도파민의 세포외 농도가 증가하여 Ca2+ 유입 매개 신경 전달 물질 방출. 다시 말하지만, 초음파나 나노입자만으로는 큰 변화가 보이지 않았습니다. 비 압전 나노 입자를 사용한 테스트는 Ca의 미미한 변화를 보여주었습니다.2+ 유입 및 신경 전달 물질 방출, 이는 이러한 효과가 주로 압전 자극에 대한 반응으로 발생함을 나타냅니다.
연구원들은 다음으로 일련의 생체내에서 연구. NO 매개 BBB 개방을 조사하기 위해 마우스에 NO 방출 압전 나노입자를 정맥 주사한 다음 초음파 유도 하에 표적 뇌 부위에 HIFU를 적용했습니다.
주입 2시간 후, 투과 전자 현미경 검사는 대조군에 비해 동물의 뇌 내부에 상당히 많은 양의 나노 입자가 축적되어 NO 방출이 BBB의 단단한 접합부를 일시적으로 방해한다는 것을 보여주었습니다. 연구원들은 또한 HIFU 적용 XNUMX시간 후 BBB가 더 이상 투과성이 없음을 보여주었고, NO 매개 BBB 중단이 단지 일시적이라는 것을 확인했습니다.
마지막으로 연구팀은 파킨슨병 마우스 모델을 이용해 나노입자의 치료 효과를 평가했다. 마우스에 나노입자를 주사한 후 시상하부 핵(미국 식품의약국 승인 DBS 표적 부위)에 HIFU를 여러 번 적용하여 뇌의 도파민 수치를 회복시켰습니다.
초음파 구동 나노 입자를 사용하는 DBS는 운동 조정 및 이동 활동을 포함하여 동물의 행동 기능을 향상시켰습니다. 생쥐는 10일 동안 매일 HIFU 자극으로 운동 기능이 점진적으로 개선되었으며, 16일째에는 운동 활동이 거의 회복되었습니다. 연구팀은 압전 나노입자가 신경 전달 물질 방출을 유도하여 심각한 독성을 유발하지 않고 파킨슨병 증상을 크게 완화했다고 추측합니다. .
치료 불가능한 우울증을 치료할 수 있는 맞춤형 뇌 자극
"우리는 초음파에 반응하는 NO 방출 압전 나노입자가 신경퇴행성 질환 치료를 위한 최소 침습 치료 접근법으로 더욱 발전될 수 있기를 희망합니다."라고 그들은 결론지었습니다.
이 그룹은 이제 NO 매개 BBB 개방에 대한 기본 메커니즘을 결정하기 위해 기본 연구를 사용하고 있습니다. 제XNUMX저자는 “임상 활용도를 극대화하는 동시에 원치 않는 부작용을 최소화하기 위해 차세대 산화질소 조절 물질도 개발하고 있다”고 설명했다. 김태정.
