Beyne implante edilen elektrotların belirli hedeflere elektriksel uyarılar ilettiği derin beyin stimülasyonu (DBS), çeşitli nörolojik durumlar için etkili bir klinik tedavidir. DBS şu anda Parkinson hastalığı, esansiyel tremor ve distoni gibi hareket bozukluklarının yanı sıra epilepsi ve obsesif-kompulsif bozukluk gibi durumları tedavi etmek için kullanılmaktadır. Bununla birlikte tedavi, çok sayıda yan etkiye neden olma potansiyeline sahip stimülasyon elektrotlarını yerleştirmek için beyin ameliyatı gerektirir.
İnvaziv cerrahi ihtiyacını ortadan kaldırmak için Pohang Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden araştırmacılar (POSTECH) Kore'de piezoelektrik nanoparçacıklara dayalı invazif olmayan bir nöral stimülasyon stratejisi geliştiriyorlar. Nanopartiküller, her ikisi de harici olarak uygulanan odaklanmış ultrason tarafından kontrol edilen iki işleve hizmet eder - kan-beyin bariyerinin (BBB) geçici olarak açılması ve dopamin salınımını uyarma.
Piezoelektrik nanoparçacıklar sinirsel uyarıcılar olarak ilgi çekicidir çünkü örneğin ultrason gibi harici uyaranlara yanıt olarak deforme olurlar ve doğru akım verirler. Araştırmacılar, bu akımın daha sonra nörotransmiterleri serbest bırakmak için dopaminerjik nöronları uyarmak için kullanılabileceğini öne sürüyorlar.
Önemli bir zorluk, nanopartikülleri beyne iletmek, özellikle de onları BBB'den nasıl geçireceğimizdir. Bunu başarmak için araştırmacılar, BBB bozulması potansiyeli gösteren oldukça reaktif bir molekül olan nitrik okside (NO) yöneldiler. bölümünde açıklanan çok işlevli bir sistem tasarladılar. Doğa Biyomedikal Mühendisliği, NO salan BNN6 ve polidopamin (pDA) ile kaplanmış bir baryum titanat nanoparçacık içerir. Ultrasona yanıt olarak, bu nanopartiküller hem NO hem de doğru akım üretmelidir.
Yaklaşımlarını test etmek için baş yazar Jong Kim'i kazandı ve meslektaşları önce nanopartiküllerin NO salma yeteneğini araştırdı. 5 saniyelik yüksek yoğunluklu odaklanmış ultrasona (HIFU) yanıt olarak, nanoparçacıklar anında NO saldı. Ayrıca bir patch-clamp kurulumu kullanarak piezoelektrik davranışı değerlendirdiler. pDA kaplı nanopartiküller içermeyen çözücü hiçbir akım artışı göstermezken, nanopartiküllerin varlığında, ultrason yoğunluğuyla orantılı yoğunluklarda belirgin akım artışları görüldü.
DBS'nin, Ca'yı açarak sinir sistemini elektriksel olarak uyardığı varsayılmaktadır.2+ Yakındaki nöronların kanalları ve daha sonra sinapsta nörotransmitter salınımını hızlandırır. Ekip, nanopartikül tarafından üretilen akımın benzer nöral uyarım sağlayıp sağlayamayacağını araştırmak için Ca2+ nöron benzeri hücrelerin dinamikleri. hücre içi Ca2+ Konsantrasyon, hem nanopartiküller hem de ultrason alan hücrelerde önemli ölçüde artarken, ultrason veya nanopartiküllerin tek başına herhangi bir etkisi olmadı.
Ultrasonla uyarılmış nanopartiküller ile tedavi edilen hücreler ayrıca hücre dışı dopamin konsantrasyonunda artış sağladı, bu da CaXNUMX'yi gösterir.2+ akış aracılı nörotransmitter salınımı. Yine, tek başına ultrason veya nanopartiküller ile önemli bir değişiklik görülmedi. Piezoelektrik olmayan nanoparçacıkların kullanıldığı testler, Ca'da önemsiz değişiklikler gösterdi.2+ akışı ve nörotransmitter salınımı, bu etkilerin öncelikle piezoelektrik stimülasyona yanıt olarak ortaya çıktığını gösterir.
Araştırmacılar daha sonra bir dizi in vivo çalışmalar. NO aracılı BBB açılmasını araştırmak için, farelere NO salan piezoelektrik nanoparçacıkları intravenöz olarak enjekte ettiler ve ardından ultrason rehberliği altında hedeflenen beyin bölgelerine HIFU uyguladılar.
Enjeksiyondan iki saat sonra transmisyon elektron mikroskobu, kontrol gruplarına kıyasla hayvanların beyinlerinde önemli ölçüde daha yüksek miktarlarda nanopartiküllerin biriktiğini ortaya çıkardı, bu da NO salınımının BBB'deki sıkı bağlantıları geçici olarak bozduğunu gösterdi. Araştırmacılar ayrıca HIFU uygulamasından 2 saat sonra BBB'nin artık geçirgen olmadığını gösterdiler ve NO aracılı BBB bozulmasının yalnızca geçici olduğunu doğruladılar.
Son olarak ekip, Parkinson hastalığının bir fare modelini kullanarak nanopartiküllerin terapötik etkilerini değerlendirdi. Farelere nanopartiküller enjekte edildi, ardından beyindeki dopamin seviyelerini eski haline getirmek için subtalamik çekirdekte (ABD Gıda ve İlaç Dairesi onaylı DBS hedefleme bölgesi) çok sayıda HIFU uygulaması yapıldı.
Ultrason güdümlü nanoparçacıkları kullanan DBS, hayvanların motor koordinasyonu ve lokomotor aktivitesi dahil olmak üzere davranışsal fonksiyonlarını geliştirdi. Fareler, 10 gün boyunca günlük HIFU stimülasyonu ile motor fonksiyonunda kademeli bir iyileşme gösterdi ve lokomotor aktivitesi, 16. günde neredeyse geri yüklendi. Ekip, piezoelektrik nanoparçacıkların, herhangi bir önemli toksisiteye neden olmadan Parkinson hastalığının semptomlarını önemli ölçüde hafifleten nörotransmitter salınımını indüklediğini tahmin ediyor. .
Kişiselleştirilmiş beyin stimülasyonu, tedavi edilemeyen depresyonu tedavi edebilir
"Ultrason duyarlı NO salan piezoelektrik nanoparçacıkların, nörodejeneratif hastalıkların tedavisi için minimal invaziv terapötik yaklaşımlara daha da geliştirilebileceğini umuyoruz" diye sonuçlandırıyorlar.
Grup şu anda NO aracılı BBB açılmasının altında yatan mekanizmaları belirlemek için temel çalışmaları kullanıyor. Birinci yazar, "Klinik kullanımlarını en üst düzeye çıkarırken aynı zamanda istenmeyen yan etkilerini de en aza indirmek için yeni nesil NO modülatör malzemeleri geliştiriyoruz" diye açıklıyor. Taejong Kim.
