Forskare från University of Texas i Dallas har utvecklat en lovande metod för att på distans stimulera aktivitet i djupa hjärnregioner, öka förståelsen för hur molekyler verkar i hjärnan och banar väg för bättre cancerbehandlingar och terapier för andra sjukdomar.

Tillvägagångssättet är baserat på den kraftfulla kombinationen av guldnanopartiklar och lasrar, som också spelar en avgörande roll i ett annat UT Dallas forskningsprojekt som syftar till att utveckla ett snabbt diagnostiskt test för influensa och, eventuellt, covid-19-viruset.

Guld för neuromodulering

Ljus är ett viktigt verktyg för att modulera biologiska system, men absorption och spridning i biologiska vävnader begränsar avsevärt dess penetration. Systemet som utvecklats av forskare vid Erik Jonsson School of Engineering and Data Science och School of Behavioral and Brain Sciences packar molekyler inuti mikroskopiska guldbelagda kapslar, eller nanovesiklar, som kan vara mycket känsliga för nära-infrarött ljus.

Systemet skulle kunna lösa utmaningar vid behandling av sjukdomar, som att se till att medicin levereras till svåråtkomliga tumörer i djupa hjärnregioner samtidigt som skador på frisk vävnad minskar. Med det exemplet, nanovesiklarna och deras last injiceras i hjärnvävnaden. Externa nära-infraröda lasrar som penetrerar vävnaden gör att kapslarna öppnas och släpper ut läkemedlet. Forskarna beskriver tillvägagångssättet och resultaten av tester i en djurmodell i en artikel publicerad online i kemitidskriften Angewandte Chemie .

"Vårt system omvandlar ljus till en mekanisk våg som skakar upp vesikeln, " sa Dr Zhenpeng Qin, biträdande professor i maskinteknik vid UT Dallas och motsvarande författare till studien.

Andra forskare har använt nära-infrarött ljus för att utlösa läkemedelsbärande nanopartiklar, såsom fosfolipidliposomer, som släpper sin last när de värms upp av lasern, men Qins tillvägagångssätt med guldbelagda nanovesiklar använder cirka 40 gånger mindre laserenergi.

I försök i djurmodeller, Qin och hans kollegor fann att det nära-infraröda ljuset penetrerade 4 millimeter i hjärnan, vilket var tillräckligt för att nå de flesta riktade hjärnregioner. Qin sa att han förväntar sig att lasern penetrerar tillräckligt långt för att nå mål djupt i gnagarhjärnan som kommer att hjälpa till att svara på viktiga frågor inom neuromodulering.

Medan nanovesikelsystemet måste genomgå mer utveckling och testning innan det kan användas i klinisk vård, Qin sa att tillvägagångssättet så småningom skulle kunna tillämpas på neurologiska störningar eller andra cancerformer. Dr Hejian Xiong, forskarassistent i Qins labb och medförfattare till tidskriftsartikeln, fick ett nytt postdoktoralt stipendium från Phospholipid Research Center i Tyskland för att studera användningen av guldbelagda nanovesiklar och ultrakorta nära-infraröda lasrar för att rikta och lindra smärta hos patienter efter operation. Projektet syftar till att tillhandahålla ett justerbart smärtbehandlingssystem som kan minska behovet av opioider.

Test av infektionssjukdomar

I ett separat forskningsprojekt, Qin fick nyligen $293, 000 anslag från de kongressstyrda medicinska forskningsprogrammen för att utveckla en snabb, noggrant och billigare test för infektionssjukdomar, inklusive influensa, som skulle kunna genomföras på läkarmottagningar. Testprincipen skulle också kunna tillämpas för att diagnostisera covid-19.

Medan många läkare utför snabba influensatest på plats, testerna kan missa influensa i 30 % till 50 % av fallen, enligt Centers for Disease Control and Prevention. Prover måste skickas till ett labb för en korrekt diagnos, vilket kan ta dagar.

"Vi vill förbättra testernas känslighet så att läkare kan göra bedömningen direkt framför patienten, att kunna säga att antingen har du det eller så har du det inte, sa Qin.

I testmetoden, guld nanopartiklar är fästa till antikroppsmolekyler som kan känna igen och binda med proteinmolekyler som finns på virusens yta. Forskare applicerar korta laserpulser för att aktivera nanopartiklarna för att generera bubblor i nanoskala, eller nanobubblor. Ansamlingen av nanobubblor signalerar närvaron av ett virus.

"Genom att använda optik för att upptäcka och räkna nanobubblor, vi kan känsligt och snabbt upptäcka närvaron av specifika luftvägsvirus, sa Qin.

En av fördelarna med tillvägagångssättet är att det inte skulle kräva omfattande provberedning, sa Qin. Metoden kan hjälpa läkare att diagnostisera virus mycket snabbare och minska kostnaderna för sjukvården genom att eliminera behovet av dyra labbbesök. Tillvägagångssättet skulle kunna användas för att detektera ett enda virus eller flera virus.

I sista hand, forskare föreställer sig att testet används i stor utsträckning på sjukhus och kliniker som inte har laboratorier; dock, den diagnostiska metoden kommer att behöva testas ytterligare innan den kan göras allmänt tillgänglig.

Qins grupp arbetar inte med det levande coronaviruset, endast med virala gener, proteiner och antikroppar. Qin har tidigare erhållit sådana patientprover för sin forskning om respiratoriskt syncytialvirus och influensa.