อนุภาคนาโนเพียโซอิเล็กทริกช่วยกระตุ้นสมองส่วนลึกโดยไม่ต้องผ่าตัด

การกระตุ้นสมองส่วนลึก (DBS) ซึ่งอิเล็กโทรดที่ฝังอยู่ในสมองจะส่งแรงกระตุ้นไฟฟ้าไปยังเป้าหมายที่เฉพาะเจาะจง เป็นการรักษาทางคลินิกที่มีประสิทธิภาพสำหรับสภาวะทางระบบประสาทหลายประการ ปัจจุบัน DBS ใช้รักษาความผิดปกติของการเคลื่อนไหว เช่น โรคพาร์กินสัน อาการสั่นที่จำเป็น และดีสโทเนีย รวมถึงอาการต่างๆ เช่น โรคลมบ้าหมู และโรคย้ำคิดย้ำทำ อย่างไรก็ตาม การรักษาจำเป็นต้องผ่าตัดสมองเพื่อใส่อิเล็กโทรดกระตุ้น ซึ่งอาจทำให้เกิดผลข้างเคียงได้มากมาย

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีโปฮัง (Pohang University of Science and Technology) (โพสเทค) ในเกาหลีกำลังพัฒนากลยุทธ์การกระตุ้นประสาทแบบไม่รุกรานโดยใช้อนุภาคนาโนเพียโซอิเล็กทริก อนุภาคนาโนทำหน้าที่สองอย่างคือการเปิดชั่วคราวของสิ่งกีดขวางระหว่างเลือดและสมอง (BBB) ​​และกระตุ้นการปลดปล่อยโดปามีน ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ควบคุมโดยอัลตราซาวนด์ที่เน้นภายนอก

อนุภาคนาโนเพียโซอิเล็กทริกเป็นที่สนใจในฐานะตัวกระตุ้นประสาท เพราะในการตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอก เช่น อัลตราซาวนด์ พวกมันจะเปลี่ยนรูปและส่งกระแสตรงออกมา นักวิจัยเสนอว่ากระแสไฟฟ้านี้สามารถใช้เพื่อกระตุ้นเซลล์ประสาทโดปามีนให้ปล่อยสารสื่อประสาท

ความท้าทายที่สำคัญประการหนึ่งคือการส่งอนุภาคนาโนไปยังสมอง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทำอย่างไรจึงจะนำอนุภาคเหล่านี้ข้าม BBB ได้ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ นักวิจัยจึงหันไปหาไนตริกออกไซด์ (NO) ซึ่งเป็นโมเลกุลที่มีปฏิกิริยาสูงซึ่งแสดงศักยภาพในการหยุดชะงักของ BBB พวกเขาออกแบบระบบมัลติฟังก์ชั่นตามที่อธิบายไว้ใน วิศวกรรมชีวการแพทย์ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคนาโนแบเรียมไททาเนตที่เคลือบด้วย BNN6 ที่ไม่มีการปลดปล่อย BNNXNUMX และโพลีโดปามีน (pDA) ในการตอบสนองต่ออัลตราซาวนด์ อนุภาคนาโนเหล่านี้ควรสร้างทั้ง NO และกระแสตรง

เพื่อทดสอบแนวทางของพวกเขา ผู้เขียนนำ วอน จอง คิม และเพื่อนร่วมงานได้ตรวจสอบความสามารถของอนุภาคนาโนในการปลดปล่อย NO เป็นครั้งแรก ในการตอบสนองต่อ 5 วินาทีของอัลตราซาวนด์ที่เน้นความเข้มสูง (HIFU) อนุภาคนาโนจะปล่อย NO ออกมาทันที พวกเขายังประเมินพฤติกรรมเพียโซอิเล็กทริกโดยใช้การตั้งค่าแคลมป์ปะ แม้ว่าตัวทำละลายที่ไม่มีอนุภาคนาโนที่เคลือบด้วย pDA จะไม่แสดงกระแสไฟฟ้าที่พุ่งสูงขึ้น เมื่อมีอนุภาคนาโน การพุ่งขึ้นของกระแสไฟฟ้าที่มีลักษณะเฉพาะนั้นถูกมองเห็นด้วยความเข้มที่แปรผันตามความเข้มของอัลตราซาวนด์

DBS ถูกตั้งสมมติฐานว่ากระตุ้นระบบประสาทด้วยไฟฟ้าโดยการเปิด Ca²⁺ ช่องของเซลล์ประสาทที่อยู่ใกล้เคียงแล้วเร่งการปลดปล่อยสารสื่อประสาทที่ไซแนปส์ เพื่อตรวจสอบว่ากระแสไฟฟ้าที่สร้างจากอนุภาคนาโนสามารถกระตุ้นระบบประสาทที่คล้ายกันได้หรือไม่ ทีมตรวจสอบ Ca²⁺ พลวัตของเซลล์คล้ายเซลล์ประสาท ภายในเซลล์ Ca²⁺ ความเข้มข้นเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในเซลล์ที่ได้รับทั้งอนุภาคนาโนและอัลตราซาวนด์ ในขณะที่อัลตราซาวนด์หรืออนุภาคนาโนอย่างเดียวไม่มีผลใดๆ

เซลล์ที่ได้รับการรักษาด้วยอนุภาคนาโนที่กระตุ้นด้วยอัลตราซาวนด์ยังสร้างความเข้มข้นของโดปามีนนอกเซลล์ที่เพิ่มขึ้นซึ่งบ่งชี้ว่า Ca²⁺ การปล่อยสารสื่อประสาทที่ไหลเข้าเป็นสื่อกลาง อีกครั้ง ไม่พบการเปลี่ยนแปลงที่มีนัยสำคัญกับอัลตราซาวนด์หรืออนุภาคนาโนเพียงอย่างเดียว การทดสอบโดยใช้อนุภาคนาโนที่ไม่ใช่เพียโซอิเล็กทริกแสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยใน Ca²⁺ การไหลเข้าและการปลดปล่อยสารสื่อประสาท ซึ่งบ่งชี้ว่าผลกระทบเหล่านี้เกิดขึ้นเป็นหลักในการตอบสนองต่อการกระตุ้นด้วยเพียโซอิเล็กทริก

นักวิจัยดำเนินการชุดต่อไป ในร่างกาย การศึกษา ในการตรวจสอบการเปิด BBB ที่ไม่ใช้สารสื่อกลาง พวกเขาฉีดหนูด้วยอนุภาคนาโนเพียโซอิเล็กทริกที่ปลดปล่อย NO เข้าทางหลอดเลือดดำ จากนั้นจึงใช้ HIFU กับไซต์สมองเป้าหมายภายใต้คำแนะนำอัลตราซาวนด์

สองชั่วโมงหลังการฉีด กล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนแบบส่องผ่านเผยให้เห็นปริมาณอนุภาคนาโนที่สะสมอยู่ภายในสมองของสัตว์ในปริมาณที่สูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุม ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการปล่อย NO จะไปรบกวนรอยต่อที่แน่นใน BBB ชั่วคราว นักวิจัยยังแสดงให้เห็นว่า 2 ชั่วโมงหลังการใช้ HIFU BBB ไม่สามารถซึมผ่านได้อีกต่อไป เป็นการยืนยันว่าการหยุดชะงักของ BBB ที่ไม่ใช้สื่อกลางนั้นเป็นเพียงชั่วคราวเท่านั้น

ในที่สุด ทีมงานได้ประเมินผลการรักษาของอนุภาคนาโนโดยใช้แบบจำลองเมาส์ของโรคพาร์กินสัน หนูถูกฉีดด้วยอนุภาคนาโนตามด้วยการใช้ HIFU หลายครั้งที่นิวเคลียส subthalamic (ไซต์เป้าหมาย DBS ที่ได้รับการอนุมัติจากสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาของสหรัฐอเมริกา) เพื่อฟื้นฟูระดับโดปามีนในสมอง

DBS ที่ใช้อนุภาคนาโนที่ขับเคลื่อนด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานด้านพฤติกรรมของสัตว์ ซึ่งรวมถึงการประสานงานของมอเตอร์และการเคลื่อนไหว หนูแสดงการปรับปรุงการทำงานของมอเตอร์อย่างค่อยเป็นค่อยไปด้วยการกระตุ้นด้วย HIFU ทุกวันเป็นเวลา 10 วัน โดยการเคลื่อนไหวของการเคลื่อนไหวเกือบจะกลับคืนมาภายในวันที่ 16 ทีมงานคาดการณ์ว่าอนุภาคนาโนเพียโซอิเล็กทริกทำให้เกิดการปลดปล่อยสารสื่อประสาท ซึ่งช่วยบรรเทาอาการของโรคพาร์กินสันได้อย่างมีนัยสำคัญโดยไม่ก่อให้เกิดความเป็นพิษใดๆ .

"เราหวังว่าอนุภาคนาโน piezoelectric

ขณะนี้กลุ่มกำลังใช้การศึกษาขั้นพื้นฐานเพื่อกำหนดกลไกพื้นฐานสำหรับการเปิด BBB ที่ไม่ใช้สื่อกลาง ผู้เขียนคนแรกอธิบาย แทจอง คิม.