Nanodeeltjes herstellen neuronen bij Parkinson met draadloze hersenstimulatie

De ziekte van Parkinson (PD) is de tweede meest voorkomende neurodegeneratieve aandoening, die voornamelijk wordt gekenmerkt door motorische disfunctie. Het pathologische kenmerk ervan is de abnormale aggregatie van α-synucleïne (α-syn) in onoplosbare fibrillen en Lewy-lichaampjes, wat leidt tot de degeneratie en dood van dopaminerge neuronen in de substantia nigra van de middenhersenen.

Om de motorische symptomen bij patiënten te verbeteren, omvat een veel voorkomende klinische benadering, diepe hersenstimulatie (DBS), de implantatie van elektroden in specifieke hersengebieden om de neuronale activiteit te moduleren door middel van directe elektrische stimulatie.

Hoewel DBS de efficiëntie van neuronale regulatie verbetert, kan het invasieve karakter ervan leiden tot cognitieve achteruitgang en emotionele stoornissen zoals depressie en angst. Nieuw ontwikkelde niet-invasieve technieken zoals transcraniële gelijkstroomstimulatie en transcraniële magnetische stimulatie kunnen de corticale prikkelbaarheid verbeteren, maar worden beperkt door onvoldoende penetratiediepte en ruimtelijke resolutie.

Daarom is de ontwikkeling van niet-invasieve technologieën voor diepe hersenstimulatie die een hoge ruimtelijke resolutie combineren met sterke penetratiemogelijkheden cruciaal.

In een studie gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgangheeft een onderzoeksteam onder leiding van prof. Chen Chunying van het National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) van de Chinese Academie van Wetenschappen een draadloos fotothermisch DBS-nanosysteem ontworpen met de naam ATB NPs.

Dit systeem bereikt nauwkeurige modulatie van gedegenereerde neuronen door de endogene expressie van de thermogevoelige TRPV1-receptor in neuronen direct te stimuleren, wat nieuwe inzichten biedt in de behandeling van Parkinson en andere neurodegeneratieve aandoeningen.

Dit systeem bestaat uit drie kernmodules: een fotothermische conversiemodule (gouden nanoshells, AuNSs) voor het activeren van de thermogevoelige TRPV1-ionkanalen, een targetingmodule (TRPV1-antilichaam) om specifiek dopaminerge neuronen met hoge TRPV1-expressie te targeten, en een degradatiemodule (β- syn-peptide, dat een nabij-infrarood-responsieve linker bevat) die zich bindt aan het hydrofobe domein van de niet-amyloïde-β-component van α-synucleïne, waardoor α-syn-fibrillen worden afgebroken.

Met behulp van het door α-syn fibril geïnduceerde PD-model probeerden onderzoekers de gedegenereerde dopaminerge neuronen in de substantia nigra van de middenhersenen te herstellen door het draadloze DBS-nanosysteem.

Na stereotactische injectie van ATB NP’s in de substantia nigra van PD-muizen, verankerden de ATB NP’s zich via het TRPV1-antilichaam aan het oppervlak van dopaminerge neuronen. Onder gepulseerde nabij-infrarode laserstraling van 808 nm fungeren ze als nanoantennes, waarbij ze licht in warmte omzetten om de thermogevoelige TRPV1-receptor te activeren, wat leidt tot Ca²⁺ instroom en het genereren van actiepotentialen.

Bovendien geven ze β-syn-peptiden vrij, die, door de activering van door chaperonne gemedieerde autofagieroutes, α-syn-aggregaten opruimen, waardoor pathologische fibrillen worden verminderd. Uiteindelijk herstelden de ATB-NP’s het interactieve netwerk van dopaminerge neuronen en hun dopamine-afgiftecapaciteit, waardoor de motorfunctie bij PD-muizen werd verbeterd.

Dit draadloze DBS-nanosysteem heeft voornamelijk drie voordelen: het maakt gebruik van de endogeen tot expressie gebrachte TRPV1-receptoren in dopaminerge neuronen van de substantia nigra, waardoor de noodzaak voor geïmplanteerde neurale elektroden of genetische manipulatie wordt geëlimineerd; het maakt nauwkeurige spatiotemporele modulatie van degeneratieve neuronen in specifieke hersengebieden mogelijk door de integratie van nabij-infraroodlasertechnologie; en het draadloze DBS-nanosysteem vertoont uitstekende bioveiligheid.