Ny metode kan skinne et helbredende lys på hjernen for dem med bevægelsesforstyrrelser

Forskere gør en afgørende opdagelse af en metode til trådløs modulering af neuroner med røntgenstråler, der kan forbedre livet for patienter med hjernesygdomme. Røntgenkilden kræver kun en maskine som den, der findes på et tandlægekontor.

Mange mennesker verden over lider af bevægelsesrelaterede hjernesygdomme. Epilepsi tegner sig for mere end 50 mio. væsentlig rysten, 40 millioner; og Parkinsons sygdom, 10 millioner.

Lindring til nogle hjernesygdomme kan en dag være på vej i form af en ny behandling opfundet af forskere fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory og fire universiteter. Behandlingen er baseret på gennembrud inden for både optik og genetik. Det ville være anvendeligt til ikke kun bevægelsesrelaterede hjernelidelser, men også kronisk depression og smerter.

Denne nye behandling involverer stimulering af neuroner dybt inde i hjernen ved hjælp af injicerede nanopartikler, der lyser op, når de udsættes for røntgenstråler (nanoscintillatorer), og vil eliminere en invasiv hjernekirurgi, der i øjeblikket er i brug.

"Vores højpræcisions ikke-invasive tilgang kunne blive rutine ved brug af en lille røntgenmaskine, den slags, der almindeligvis findes i enhver tandlægeklinik, " sagde Elena Rozhkova, en hovedforfatter og en nanoforsker i Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Traditionel dyb hjernestimulering kræver en invasiv neurokirurgisk procedure for lidelser, når konventionel lægemiddelbehandling ikke er en mulighed. I den traditionelle procedure, godkendt af U.S. Food and Drug Administration, kirurger implanterer en kalibreret pulsgenerator under huden (svarende til en pacemaker). De forbinder den derefter med en isoleret forlængerledning til elektroder indsat i et bestemt område af hjernen for at stimulere de omgivende neuroner og regulere unormale impulser.

"Den spansk-amerikanske videnskabsmand José Manuel Rodríguez Delgado demonstrerede berømt dyb hjernestimulering i en tyrefægterarena i 1960'erne, " sagde Vassiliy Tsytsarev, en neurobiolog fra University of Maryland og medforfatter til undersøgelsen. "Han bragte en rasende tyr, der stormede mod ham, til stilstand ved at sende et radiosignal til en implanteret elektrode."

For omkring 15 år siden, videnskabsmænd introducerede en revolutionær neuromodulationsteknologi, "optogenetik, " som er afhængig af genetisk modifikation af specifikke neuroner i hjernen. Disse neuroner skaber en lysfølsom ionkanal i hjernen og, derved, brand som reaktion på eksternt laserlys. Denne tilgang, imidlertid, kræver meget tynde fiberoptiske ledninger implanteret i hjernen og lider af laserlysets begrænsede penetrationsdybde gennem biologisk væv.

Holdets alternative optogenetik-tilgang bruger nanoscintillatorer injiceret i hjernen, omgå implanterbare elektroder eller fiberoptiske ledninger. I stedet for lasere, de erstatter røntgenstråler på grund af deres større evne til at passere gennem biologiske vævsbarrierer.

"De injicerede nanopartikler absorberer røntgenenergien og omdanner den til rødt lys, som har betydeligt større indtrængningsdybde end blåt lys, " sagde Zhaowei Chen, tidligere CNM postdoc.

"Dermed, nanopartiklerne fungerer som en intern lyskilde, der får vores metode til at fungere uden ledning eller elektrode, " tilføjede Rozhkova. Da holdets tilgang både kan stimulere og dæmpe målrettede små områder, Rozhkova bemærkede, det har andre anvendelser end hjernesygdomme. For eksempel, det kunne være anvendeligt til hjerteproblemer og andre beskadigede muskler.

En af holdets nøgler til succes var samarbejdet mellem to af verdensklassefaciliteterne i Argonne:CNM og Argonnes Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet. Arbejdet på disse faciliteter begyndte med syntese og multi-værktøj karakterisering af nanoscintillatorerne. I særdeleshed, den røntgen-exciterede optiske luminescens af nanopartikelprøverne blev bestemt ved en APS-strålelinje (20-BM). Resultaterne viste, at partiklerne var ekstremt stabile over måneder og ved gentagen eksponering for højintensive røntgenstråler.

Ifølge Zou Finfrock, en stabsforsker ved APS 20-BM beamline og Canadian Light Source, "De blev ved med at lyse et smukt orange-rødt lys."

Næste, Argonne sendte CNM-forberedte nanoscintillatorer til University of Maryland til test i mus. Holdet ved University of Maryland udførte disse tests over to måneder med en lille bærbar røntgenmaskine. Resultaterne viste, at proceduren fungerede som planlagt. Mus, hvis hjerner var blevet genetisk modificeret til at reagere på rødt lys, reagerede på røntgenimpulserne med hjernebølger optaget på et elektroencefalogram.

Endelig, teamet fra University of Maryland sendte dyrehjernerne til karakterisering ved hjælp af røntgenfluorescensmikroskopi udført af Argonne-forskere. Denne analyse blev udført af Olga Antipova på Microprobe beamline (2-ID-E) ved APS og af Zhonghou Cai på Hard X-ray Nanoprobe (26-ID) drevet i fællesskab af CNM og APS.

Dette multi-instrument arrangement gjorde det muligt at se bittesmå partikler, der opholder sig i det komplekse miljø af hjernevævet med en superopløsning på snesevis af nanometer. Det gjorde det også muligt at visualisere neuroner nær og langt fra injektionsstedet på mikroskala. Resultaterne viste, at nanoscintillatorerne er kemisk og biologisk stabile. De vandrer ikke fra injektionsstedet eller nedbrydes.

"Prøveforberedelse er ekstremt vigtig i disse typer biologiske analyser, " sagde Antipova, en fysiker i X-ray Science Division (XSD) ved APS. Antipova blev assisteret af Qiaoling Jin og Xueli Liu, som forberedte hjernesektioner kun få mikrometer tykke med guldsmed-lignende nøjagtighed.

"Der er en intens grad af kommerciel interesse for optogenetik til medicinske anvendelser, " sagde Rozhkova. "Selvom det stadig er på proof-of-concept-stadiet, vi forudser, at vores patentanmeldte trådløse tilgang med små røntgenmaskiner vil have en lys fremtid."

Den relaterede artikel "Trådløs optogenetisk modulering af kortikale neuroner muliggjort af radioluminescerende nanopartikler" dukkede op i ACS Nano .