Kích thích não sâu (DBS), trong đó các điện cực được cấy vào não truyền các xung điện đến các mục tiêu cụ thể, là một phương pháp điều trị lâm sàng hiệu quả cho một số tình trạng thần kinh. DBS hiện được sử dụng để điều trị các rối loạn vận động như bệnh Parkinson, run vô căn và loạn trương lực cơ, cũng như các tình trạng như động kinh và rối loạn ám ảnh cưỡng chế. Tuy nhiên, việc điều trị đòi hỏi phải phẫu thuật não để chèn các điện cực kích thích, với khả năng gây ra nhiều tác dụng phụ.
Để loại bỏ nhu cầu phẫu thuật xâm lấn, các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (ĐĂNG) ở Hàn Quốc đang phát triển một chiến lược kích thích thần kinh không xâm lấn dựa trên các hạt nano áp điện. Các hạt nano phục vụ hai chức năng – mở tạm thời hàng rào máu não (BBB) và kích thích giải phóng dopamine – cả hai đều được kiểm soát bằng sóng siêu âm hội tụ bên ngoài.
Các hạt nano áp điện được quan tâm như những chất kích thích thần kinh vì để đáp ứng với các kích thích bên ngoài – chẳng hạn như siêu âm chẳng hạn – chúng biến dạng và tạo ra dòng điện một chiều. Các nhà nghiên cứu đề xuất rằng dòng điện này sau đó có thể được sử dụng để kích thích các tế bào thần kinh dopaminergic giải phóng các chất dẫn truyền thần kinh.
Một thách thức chính là đưa các hạt nano đến não, cụ thể là làm thế nào để đưa chúng qua BBB. Để đạt được điều này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng oxit nitric (NO), một phân tử có khả năng phản ứng cao cho thấy khả năng phá vỡ BBB. Họ đã thiết kế một hệ thống đa chức năng, được mô tả trong Kỹ thuật y sinh học thiên nhiên, bao gồm một hạt nano bari titanat được phủ BNN6 và polydopamine (pDA) giải phóng NO. Để đáp ứng với siêu âm, các hạt nano này sẽ tạo ra cả NO và dòng điện một chiều.
Để kiểm tra cách tiếp cận của họ, tác giả chính Won Jong Kim và các đồng nghiệp lần đầu tiên nghiên cứu khả năng giải phóng NO của các hạt nano. Để đáp ứng với 5 giây siêu âm hội tụ cường độ cao (HIFU), các hạt nano ngay lập tức giải phóng NO. Họ cũng đánh giá hành vi áp điện bằng cách sử dụng thiết lập kẹp vá. Mặc dù dung môi không có hạt nano phủ pDA không biểu hiện các xung dòng điện, nhưng với sự có mặt của các hạt nano, các gai dòng điện đặc biệt được nhìn thấy với cường độ tỷ lệ thuận với cường độ siêu âm.
DBS được giả thuyết là kích thích điện hệ thần kinh bằng cách mở Ca2+ kênh của các tế bào thần kinh lân cận và sau đó tăng tốc giải phóng chất dẫn truyền thần kinh ở khớp thần kinh. Để điều tra xem liệu dòng điện do hạt nano tạo ra có thể cung cấp sự kích thích thần kinh tương tự hay không, nhóm nghiên cứu đã theo dõi Ca2+ động lực học của các tế bào giống như tế bào thần kinh. Ca nội bào2+ nồng độ tăng đáng kể trong các tế bào nhận được cả hạt nano và siêu âm, trong khi siêu âm hoặc hạt nano đơn thuần không có bất kỳ tác dụng nào.
Các tế bào được xử lý bằng các hạt nano kích thích siêu âm cũng tạo ra sự gia tăng nồng độ dopamine ngoại bào, cho thấy Ca2+ giải phóng chất dẫn truyền thần kinh qua trung gian dòng vào. Một lần nữa, không có thay đổi đáng kể nào được nhìn thấy chỉ với siêu âm hoặc hạt nano. Các thử nghiệm sử dụng các hạt nano không áp điện cho thấy những thay đổi không đáng kể trong Ca2+ dòng và giải phóng chất dẫn truyền thần kinh, chỉ ra rằng những hiệu ứng này phát sinh chủ yếu để đáp ứng với kích thích áp điện.
Các nhà nghiên cứu tiếp theo thực hiện một loạt các trong cơ thể học. Để điều tra việc mở BBB qua trung gian NO, họ đã tiêm tĩnh mạch cho chuột các hạt nano áp điện giải phóng NO và sau đó áp dụng HIFU vào các vị trí não được nhắm mục tiêu dưới sự hướng dẫn của siêu âm.
Hai giờ sau khi tiêm, kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy lượng hạt nano tích lũy bên trong não của động vật cao hơn đáng kể so với nhóm đối chứng, chứng tỏ rằng việc giải phóng NO tạm thời phá vỡ các mối nối chặt chẽ trong BBB. Các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng 2 giờ sau khi áp dụng HIFU, BBB không còn thấm nữa, xác nhận rằng sự gián đoạn BBB do KHÔNG qua trung gian chỉ là tạm thời.
Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả điều trị của các hạt nano bằng cách sử dụng mô hình chuột mắc bệnh Parkinson. Chuột được tiêm các hạt nano, sau đó là nhiều ứng dụng của HIFU tại nhân dưới đồi (điểm nhắm mục tiêu DBS được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ phê duyệt) để khôi phục mức độ dopamine trong não.
DBS sử dụng các hạt nano điều khiển bằng sóng siêu âm đã tăng cường các chức năng hành vi của động vật, bao gồm sự phối hợp vận động và hoạt động vận động. Những con chuột cho thấy sự cải thiện dần dần về chức năng vận động khi kích thích HIFU hàng ngày trong 10 ngày, với hoạt động vận động hầu như được phục hồi vào ngày thứ 16. Nhóm nghiên cứu phỏng đoán rằng các hạt nano áp điện tạo ra sự giải phóng chất dẫn truyền thần kinh, làm giảm đáng kể các triệu chứng của bệnh Parkinson mà không gây ra bất kỳ độc tính đáng kể nào .
Kích thích não cá nhân hóa có thể điều trị chứng trầm cảm không thể điều trị
Họ kết luận: “Chúng tôi hy vọng rằng các hạt nano áp điện giải phóng NO đáp ứng siêu âm có thể được phát triển hơn nữa thành các phương pháp điều trị xâm lấn tối thiểu để điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh”.
Nhóm hiện đang sử dụng các nghiên cứu cơ bản để xác định các cơ chế cơ bản để mở BBB KHÔNG qua trung gian. Tác giả đầu tiên giải thích: “Chúng tôi cũng đang phát triển các vật liệu điều chế NO thế hệ tiếp theo để tối đa hóa việc sử dụng lâm sàng đồng thời giảm thiểu các tác dụng phụ không mong muốn của chúng. Kim Taejeong.
