Onormala nivåer av stresshormoner som adrenalin och kortisol är kopplade till en mängd olika psykiska störningar, inklusive depression och posttraumatisk stressyndrom (PTSD). MIT -forskare har nu tagit fram ett sätt att fjärrstyra frisättningen av dessa hormoner från binjurarna, med hjälp av magnetiska nanopartiklar.

Detta tillvägagångssätt kan hjälpa forskare att lära sig mer om hur hormonfrisättning påverkar mental hälsa, och så småningom kan erbjuda ett nytt sätt att behandla hormonrelaterade sjukdomar, säger forskarna.

"Vi ser hur vi kan studera och så småningom behandla stressstörningar genom att modulera perifera organfunktioner, snarare än att göra något mycket invasivt i centrala nervsystemet, " säger Polina Anikeeva, en MIT-professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och i hjärn- och kognitionsvetenskap.

För att uppnå kontroll över hormonfrisättningen, Dekel Rosenfeld, en MIT-Technion postdoc i Anikeevas grupp, har utvecklat specialiserade magnetiska nanopartiklar som kan injiceras i binjuren. Vid exponering för ett svagt magnetfält, partiklarna värms upp något, aktiverar värmekänsliga kanaler som utlöser hormonfrisättning. Denna teknik kan användas för att stimulera ett organ djupt i kroppen med minimal invasivitet.

Anikeeva och Alik Widge, en biträdande professor i psykiatri vid University of Minnesota och en tidigare forskare vid MIT:s Picower Institute for Learning and Memory, är de främsta författarna till studien. Rosenfeld är huvudförfattare till tidningen, som visas idag i Vetenskapens framsteg .

Kontroll av hormoner

Anikeevas labb har tidigare tagit fram flera nya magnetiska nanomaterial, inklusive partiklar som kan frigöra läkemedel vid exakta tidpunkter på specifika platser i kroppen.

I den nya studien, forskargruppen ville undersöka tanken på att behandla störningar i hjärnan genom att manipulera organ som ligger utanför centrala nervsystemet men påverkar det genom hormonfrisättning. Ett välkänt exempel är hypotalamus-hypofys-binjureaxeln (HPA), som reglerar stressrespons hos däggdjur. Hormoner som utsöndras av binjuren, inklusive kortisol och adrenalin, spelar en viktig roll vid depression, påfrestning, och ångest.

"Vissa sjukdomar som vi anser vara neurologiska kan behandlas från periferin, om vi kan lära oss att modulera de lokala kretsarna snarare än att gå tillbaka till de globala kretsarna i centrala nervsystemet, " säger Anikeeva, som är medlem i MIT:s Research Laboratory of Electronics och McGovern Institute for Brain Research.

Som ett mål för att stimulera hormonfrisättning, forskarna bestämde sig för jonkanaler som styr flödet av kalcium till binjureceller. Dessa jonkanaler kan aktiveras av en mängd olika stimuli, inklusive värme. När kalcium strömmar genom de öppna kanalerna in i binjurecellerna, cellerna börjar pumpa ut hormoner. "Om vi ​​vill modulera frisättningen av dessa hormoner, vi måste i huvudsak kunna modulera inflödet av kalcium till binjurecellerna, säger Rosenfeld.

Till skillnad från tidigare forskning i Anikeevas grupp, i denna studie användes magnetotermisk stimulering för att modulera funktionen hos celler utan att artificiellt introducera några gener.

För att stimulera dessa värmekänsliga kanaler, som naturligt förekommer i binjureceller, forskarna designade nanopartiklar gjorda av magnetit, en typ av järnoxid som bildar små magnetiska kristaller ungefär 1/5000 tjockleken på ett människohår. Hos råttor, de fann att dessa partiklar kunde injiceras direkt i binjurarna och förbli där i minst sex månader. När råttorna utsattes för ett svagt magnetfält - cirka 50 millitesla, 100 gånger svagare än de fält som används för magnetisk resonanstomografi (MRI) – partiklarna värms upp med cirka 6 grader Celsius, tillräckligt för att få kalciumkanalerna att öppnas utan att skada någon omgivande vävnad.

Den värmekänsliga kanalen som de riktade in sig på, känd som TRPV1, finns i många sensoriska neuroner i hela kroppen, inklusive smärtreceptorer. TRPV1-kanaler kan aktiveras av capsaicin, den organiska föreningen som ger chilipeppar sin värme, samt efter temperatur. De finns över däggdjursarter, och tillhör en familj av många andra kanaler som också är känsliga för värme.

Denna stimulering utlöste en hormonrusning - fördubbling av kortisolproduktionen och ökning av noradrenalin med cirka 25 procent. Det ledde till en mätbar ökning av djurens hjärtfrekvens.

Behandla stress och smärta

Forskarna planerar nu att använda denna metod för att studera hur hormonfrisättning påverkar PTSD och andra störningar, och de säger att det så småningom kan anpassas för behandling av sådana störningar. Denna metod skulle erbjuda ett mycket mindre invasivt alternativ till potentiella behandlingar som involverar implantering av en medicinsk anordning för att elektriskt stimulera hormonfrisättning, vilket inte är möjligt i organ som binjurarna som är mjuka och mycket vaskulariserade, säger forskarna.

Ett annat område där denna strategi skulle kunna lova är behandling av smärta, eftersom värmekänsliga jonkanaler ofta finns i smärtreceptorer.

"Att kunna modulera smärtreceptorer med den här tekniken kommer potentiellt att tillåta oss att studera smärta, kontrollera smärta, och har några kliniska tillämpningar i framtiden, som förhoppningsvis kan erbjuda ett alternativ till mediciner eller implantat för kronisk smärta, " säger Anikeeva. Med ytterligare undersökning av förekomsten av TRPV1 i andra organ, Tekniken kan potentiellt utvidgas till andra perifera organ som matsmältningssystemet och bukspottkörteln.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.