Forskere opnår fjernstyring af hormonfrigivelse ved hjælp af magnetiske nanopartikler

Unormale niveauer af stresshormoner såsom adrenalin og kortisol er forbundet med en række psykiske lidelser, herunder depression og posttraumatisk stresslidelse (PTSD). MIT forskere har nu udtænkt en måde at fjernstyre frigivelsen af ​​disse hormoner fra binyrerne, ved hjælp af magnetiske nanopartikler.

Denne tilgang kunne hjælpe forskere med at lære mere om, hvordan hormonfrigivelse påvirker mental sundhed, og i sidste ende kunne tilbyde en ny måde at behandle hormonforbundne lidelser på, siger forskerne.

"Vi ser på, hvordan vi kan studere og i sidste ende behandle stresslidelser ved at modulere perifere organfunktioner, i stedet for at gøre noget stærkt invasivt i centralnervesystemet, " siger Polina Anikeeva, en MIT-professor i materialevidenskab og teknik og i hjerne- og kognitionsvidenskab.

For at opnå kontrol over hormonfrigivelsen, Dekel Rosenfeld, en MIT-Technion postdoc i Anikeevas gruppe, har udviklet specialiserede magnetiske nanopartikler, der kan sprøjtes ind i binyren. Når de udsættes for et svagt magnetfelt, partiklerne varmes lidt op, aktivering af varmefølsomme kanaler, der udløser hormonfrigivelse. Denne teknik kan bruges til at stimulere et organ dybt i kroppen med minimal invasivitet.

Anikeeva og Alik Widge, en assisterende professor i psykiatri ved University of Minnesota og en tidligere forsker ved MIT's Picower Institute for Learning and Memory, er de ledende forfattere af undersøgelsen. Rosenfeld er hovedforfatter af papiret, som vises i dag i Videnskabens fremskridt .

Kontrollerer hormoner

Anikeevas laboratorium har tidligere udtænkt flere nye magnetiske nanomaterialer, herunder partikler, der kan frigive lægemidler på præcise tidspunkter på bestemte steder i kroppen.

I den nye undersøgelse, forskerholdet ønskede at udforske ideen om at behandle lidelser i hjernen ved at manipulere organer, der er uden for centralnervesystemet, men som påvirker det gennem hormonfrigivelse. Et velkendt eksempel er hypothalamus-hypofyse-binyre (HPA) aksen, som regulerer stressrespons hos pattedyr. Hormoner udskilt af binyrerne, herunder kortisol og adrenalin, spiller en vigtig rolle i depression, stress, og angst.

"Nogle lidelser, som vi betragter som neurologiske, kan behandles fra periferien, hvis vi kan lære at modulere de lokale kredsløb i stedet for at gå tilbage til de globale kredsløb i centralnervesystemet, " siger Anikeeva, som er medlem af MIT's Research Laboratory of Electronics og McGovern Institute for Brain Research.

Som et mål for at stimulere hormonfrigivelse, forskerne besluttede sig for ionkanaler, der styrer strømmen af ​​calcium ind i binyrecellerne. Disse ionkanaler kan aktiveres af en række stimuli, inklusive varme. Når calcium strømmer gennem de åbne kanaler ind i binyreceller, cellerne begynder at pumpe hormoner ud. "Hvis vi ønsker at modulere frigivelsen af ​​disse hormoner, vi skal være i stand til i det væsentlige at modulere tilstrømningen af ​​calcium til binyreceller, siger Rosenfeld.

I modsætning til tidligere forskning i Anikeevas gruppe, i denne undersøgelse blev magnetotermisk stimulering anvendt til at modulere funktionen af ​​celler uden kunstigt at introducere gener.

For at stimulere disse varmefølsomme kanaler, som naturligt forekommer i binyreceller, forskerne designet nanopartikler lavet af magnetit, en type jernoxid, der danner små magnetiske krystaller, der er omkring 1/5000 tykkelsen af ​​et menneskehår. Hos rotter, de fandt ud af, at disse partikler kunne sprøjtes direkte ind i binyrerne og forblive der i mindst seks måneder. Da rotterne blev udsat for et svagt magnetfelt - omkring 50 millitesla, 100 gange svagere end de felter, der bruges til magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) - partiklerne varmes op med omkring 6 grader Celsius, nok til at få calciumkanalerne til at åbne sig uden at beskadige noget omgivende væv.

Den varmefølsomme kanal, som de målrettede, kendt som TRPV1, findes i mange sensoriske neuroner i hele kroppen, herunder smertereceptorer. TRPV1-kanaler kan aktiveres af capsaicin, den organiske forbindelse, der giver chilipeberne deres varme, samt efter temperatur. De findes på tværs af pattedyrarter, og tilhører en familie af mange andre kanaler, der også er følsomme over for varme.

Denne stimulation udløste et hormonrush - fordoblede kortisolproduktionen og øgede noradrenalin med omkring 25 procent. Det førte til en målbar stigning i dyrenes hjertefrekvens.

Behandling af stress og smerte

Forskerne planlægger nu at bruge denne tilgang til at studere, hvordan hormonfrigivelse påvirker PTSD og andre lidelser, og de siger, at det i sidste ende kunne tilpasses til behandling af sådanne lidelser. Denne metode ville tilbyde et meget mindre invasivt alternativ til potentielle behandlinger, der involverer implantation af et medicinsk udstyr for elektrisk stimulere hormonfrigivelsen, hvilket ikke er muligt i organer såsom binyrerne, der er bløde og stærkt vaskulariserede, siger forskerne.

Et andet område, hvor denne strategi kunne holde lovende, er i behandlingen af ​​smerte, fordi varmefølsomme ionkanaler ofte findes i smertereceptorer.

"At være i stand til at modulere smertereceptorer med denne teknik vil potentielt give os mulighed for at studere smerte, kontrollere smerte, og har nogle kliniske anvendelser i fremtiden, som forhåbentlig kan tilbyde et alternativ til medicin eller implantater mod kroniske smerter, " siger Anikeeva. Med yderligere undersøgelse af eksistensen af ​​TRPV1 i andre organer, teknikken kan potentielt udvides til andre perifere organer såsom fordøjelsessystemet og bugspytkirtlen.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.