Een nieuwe methode zou ‘een helend licht’ op de hersenen kunnen laten schijnen voor mensen met bewegingsstoornissen

Wetenschappers ontdekken een cruciale methode voor draadloze modulatie van neuronen met röntgenstralen die het leven van patiënten met hersenaandoeningen kunnen verbeteren. De röntgenbron heeft alleen een apparaat nodig zoals dat in het kantoor van een tandarts wordt aangetroffen.

Wereldwijd lijden veel mensen aan bewegingsgerelateerde hersenaandoeningen. Epilepsie is goed voor meer dan 50 miljoen; essentiële tremor, 40 miljoen; en de ziekte van Parkinson, 10 miljoen.

Er kan op een dag verlichting komen voor sommige patiënten met hersenaandoeningen in de vorm van een nieuwe behandeling die is uitgevonden door onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en vier universiteiten. De behandeling is gebaseerd op doorbraken in zowel optica als genetica. Het zou niet alleen van toepassing zijn op bewegingsgerelateerde hersenaandoeningen, maar ook op chronische depressie en pijn.

Deze nieuwe behandeling omvat stimulatie van neuronen diep in de hersenen door middel van geïnjecteerde nanodeeltjes die oplichten bij blootstelling aan röntgenstraling (nanoscintillatoren) en een invasieve hersenoperatie die momenteel wordt gebruikt, zou elimineren.

“Onze uiterst nauwkeurige niet-invasieve aanpak zou routine kunnen worden met het gebruik van een klein röntgenapparaat, het soort dat gewoonlijk in elke tandartspraktijk wordt aangetroffen”, zegt Elena Rozhkova, een hoofdauteur en een nanowetenschapper in Argonne’s Center for Nanoscale Materials (CNM). , een DOE Office of Science User Facility.

Traditionele diepe hersenstimulatie vereist een invasieve neurochirurgische procedure voor aandoeningen waarbij conventionele medicamenteuze therapie geen optie is. In de traditionele procedure, goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration, implanteren chirurgen een gekalibreerde pulsgenerator onder de huid (vergelijkbaar met een pacemaker). Ze verbinden het vervolgens met een geïsoleerd verlengsnoer met elektroden die in een specifiek deel van de hersenen worden ingebracht om de omliggende neuronen te stimuleren en abnormale impulsen te reguleren.

“De Spaans-Amerikaanse wetenschapper José Manuel Rodríguez Delgado demonstreerde op beroemde wijze diepe hersenstimulatie in een arena in de jaren zestig”, zei Vassiliy Tsytsarev, een neurobioloog van de Universiteit van Maryland en een co-auteur van de studie. ‘Hij bracht een razende stier die op hem af stormde tot stilstand door een radiosignaal naar een geïmplanteerde elektrode te sturen.’

Ongeveer 15 jaar geleden introduceerden wetenschappers een revolutionaire neuromodulatietechnologie, “optogenetica”, die steunt op genetische modificatie van specifieke neuronen in de hersenen. Deze neuronen creëren een lichtgevoelig ionenkanaal in de hersenen en vuren daardoor in reactie op extern laserlicht. Deze benadering vereist echter zeer dunne vezeloptische draden die in de hersenen worden geïmplanteerd en lijdt onder de beperkte penetratiediepte van het laserlicht door biologische weefsels.

De alternatieve optogenetica-benadering van het team maakt gebruik van nanoscintillatoren die in de hersenen worden geïnjecteerd, waarbij implanteerbare elektroden of glasvezeldraden worden omzeild. In plaats van lasers vervangen ze röntgenstralen vanwege hun grotere vermogen om biologische weefselbarrières te passeren.

“De geïnjecteerde nanodeeltjes absorberen de röntgenenergie en zetten deze om in rood licht, dat een aanzienlijk grotere penetratiediepte heeft dan blauw licht”, zegt Zhaowei Chen, voormalig postdoctoraal onderzoeker bij CNM.

“De nanodeeltjes dienen dus als een interne lichtbron die ervoor zorgt dat onze methode werkt zonder draad of elektrode”, voegt Rozhkova toe. Omdat de aanpak van het team gerichte kleine gebieden zowel kan stimuleren als onderdrukken, merkte Rozhkova op, heeft het andere toepassingen dan hersenaandoeningen. Het kan bijvoorbeeld van toepassing zijn op hartproblemen en andere beschadigde spieren.

Een van de sleutels tot succes van het team was de samenwerking tussen twee van de faciliteiten van wereldklasse bij Argonne: CNM en Argonne’s Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science User Facility. Het werk bij deze faciliteiten begon met de synthese en multitoolkarakterisering van de nanoscintillatoren. In het bijzonder werd de door röntgenstraling aangeslagen optische luminescentie van de nanodeeltjesmonsters bepaald bij een APS-bundellijn (20-BM). De resultaten toonden aan dat de deeltjes extreem stabiel waren gedurende maanden en na herhaalde blootstelling aan de zeer intensieve röntgenstralen.

Volgens Zou Finfrock, een stafwetenschapper bij de APS 20-BM-bundellijn en de Canadese lichtbron, “bleven ze een prachtig oranjerood licht gloeien.”

Vervolgens stuurde Argonne CNM-voorbereide nanoscintillatoren naar de Universiteit van Maryland voor tests bij muizen. Het team van de Universiteit van Maryland voerde deze tests gedurende twee maanden uit met een klein draagbaar röntgenapparaat. De resultaten toonden aan dat de procedure werkte zoals gepland. Muizen waarvan de hersenen genetisch waren gemodificeerd om op rood licht te reageren, reageerden op de röntgenimpulsen met hersengolven die werden geregistreerd op een elektro-encefalogram.

Ten slotte stuurde het team van de Universiteit van Maryland de dierenhersenen voor karakterisering met behulp van röntgenfluorescentiemicroscopie uitgevoerd door Argonne-wetenschappers. Deze analyse werd uitgevoerd door Olga Antipova op de Microprobe-bundellijn (2-ID-E) bij APS en door Zhonghou Cai op de Hard X-ray Nanoprobe (26-ID), gezamenlijk beheerd door CNM en APS.

Deze opstelling met meerdere instrumenten maakte het mogelijk om kleine deeltjes te zien die zich in de complexe omgeving van het hersenweefsel bevinden met een superresolutie van tientallen nanometers. Het maakte het ook mogelijk om neuronen dichtbij en ver van de injectieplaats op microschaal te visualiseren. De resultaten toonden aan dat de nanoscintillatoren chemisch en biologisch stabiel zijn. Ze dwalen niet af van de injectieplaats en worden niet afgebroken.

“Monstervoorbereiding is buitengewoon belangrijk bij dit soort biologische analyses”, zegt Antipova, een fysicus bij de X-ray Science Division (XSD) bij het APS. Antipova werd bijgestaan ​​door Qiaoling Jin en Xueli Liu, die hersencoupes van slechts enkele micrometers dik maakten met een juwelierachtige nauwkeurigheid.

“Er is een grote commerciële interesse in optogenetica voor medische toepassingen”, zei Rozhkova. “Hoewel we ons nog in de proof-of-concept-fase bevinden, voorspellen we dat onze draadloze aanpak waarvoor patent is aangevraagd met kleine röntgentoestellen een mooie toekomst zal hebben.”

Het gerelateerde artikel “Draadloze optogenetische modulatie van corticale neuronen mogelijk gemaakt door radioluminescente nanodeeltjes” verscheen in ACS Nano​