Forskare gör avgörande upptäckter av en metod för trådlös modulering av neuroner med röntgenstrålar som kan förbättra livet för patienter med hjärnsjukdomar. Röntgenkällan kräver bara en maskin som den som finns på en tandläkarmottagning.

Många människor världen över lider av rörelserelaterade hjärnstörningar. Epilepsi står för mer än 50 miljoner; väsentlig tremor, 40 miljoner; och Parkinsons sjukdom, 10 miljoner.

Lättnad för vissa drabbade av hjärnstörningar kan en dag vara på väg i form av en ny behandling som uppfunnits av forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory och fyra universitet. Behandlingen bygger på genombrott inom både optik och genetik. Det skulle vara tillämpligt på inte bara rörelserelaterade hjärnstörningar, men också kronisk depression och smärta.

Denna nya behandling innebär stimulering av neuroner djupt inne i hjärnan med hjälp av injicerade nanopartiklar som lyser upp när de utsätts för röntgenstrålar (nanoscintillatorer) och skulle eliminera en invasiv hjärnkirurgi som för närvarande används.

"Vår icke-invasiva tillvägagångssätt med hög precision kan bli rutin med användning av en liten röntgenapparat, den typ som vanligtvis finns på varje tandläkare, " sa Elena Rozhkova, en huvudförfattare och en nanoforskare vid Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science User Facility.

Traditionell djup hjärnstimulering kräver en invasiv neurokirurgisk procedur för störningar när konventionell läkemedelsbehandling inte är ett alternativ. I det traditionella förfarandet, godkänd av U.S. Food and Drug Administration, kirurger implanterar en kalibrerad pulsgenerator under huden (liknande en pacemaker). De ansluter den sedan med en isolerad förlängningssladd till elektroder som sätts in i ett specifikt område av hjärnan för att stimulera de omgivande nervcellerna och reglera onormala impulser.

"Den spansk-amerikanske vetenskapsmannen José Manuel Rodríguez Delgado demonstrerade berömt djup hjärnstimulering i en tjurfäktningsarena på 1960-talet, sade Vassiliy Tsytsarev, en neurobiolog från University of Maryland och en medförfattare till studien. "Han förde en rasande tjur som laddade mot honom till stillastående genom att skicka en radiosignal till en implanterad elektrod."

För cirka 15 år sedan, forskare introducerade en revolutionerande neuromodulationsteknik, "optogenetik, " som förlitar sig på genetisk modifiering av specifika neuroner i hjärnan. Dessa neuroner skapar en ljuskänslig jonkanal i hjärnan och, vari, brand som svar på externt laserljus. Detta tillvägagångssätt, dock, kräver mycket tunna fiberoptiska ledningar implanterade i hjärnan och lider av laserljusets begränsade penetrationsdjup genom biologiska vävnader.

Teamets alternativa optogenetikmetod använder nanoscintillatorer som injiceras i hjärnan, förbikoppla implanterbara elektroder eller fiberoptiska ledningar. Istället för laser, de ersätter röntgenstrålar på grund av deras större förmåga att passera genom biologiska vävnadsbarriärer.

"De injicerade nanopartiklarna absorberar röntgenenergin och omvandlar den till rött ljus, som har betydligt större penetrationsdjup än blått ljus, " sa Zhaowei Chen, tidigare CNM-postdoktor.

"Således, nanopartiklarna fungerar som en intern ljuskälla som gör att vår metod fungerar utan tråd eller elektrod, " tillade Rozhkova. Eftersom teamets tillvägagångssätt kan både stimulera och dämpa riktade små områden, Rozhkova noterade, det har andra tillämpningar än hjärnsjukdomar. Till exempel, det kan vara tillämpligt på hjärtproblem och andra skadade muskler.

En av teamets nycklar till framgång var samarbetet mellan två av anläggningarna i världsklass på Argonne:CNM och Argonnes Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility. Arbetet vid dessa anläggningar började med syntesen och multiverktygskarakteriseringen av nanoscintillatorerna. Särskilt, den röntgenexciterade optiska luminescensen av nanopartikelproverna bestämdes vid en APS-strållinje (20-BM). Resultaten visade att partiklarna var extremt stabila över månader och vid upprepad exponering för högintensiva röntgenstrålar.

Enligt Zou Finfrock, en stabsforskare vid APS 20-BM beamline och Canadian Light Source, "De fortsatte att lysa ett vackert orange-rött ljus."

Nästa, Argonne skickade CNM-beredda nanoscintillatorer till University of Maryland för tester på möss. Teamet vid University of Maryland utförde dessa tester under två månader med en liten bärbar röntgenapparat. Resultaten visade att proceduren fungerade som planerat. Möss vars hjärnor hade modifierats genetiskt för att reagera på rött ljus reagerade på röntgenpulserna med hjärnvågor registrerade på ett elektroencefalogram.

Till sist, teamet från University of Maryland skickade djurhjärnorna för karakterisering med röntgenfluorescensmikroskopi utförd av Argonne-forskare. Denna analys utfördes av Olga Antipova på Microprobe beamline (2-ID-E) vid APS och av Zhonghou Cai på Hard X-ray Nanoprobe (26-ID) som drivs gemensamt av CNM och APS.

Detta multiinstrumentarrangemang gjorde det möjligt att se små partiklar som finns i hjärnvävnadens komplexa miljö med en superupplösning på dussintals nanometer. Det gjorde det också möjligt att visualisera neuroner nära och långt från injektionsstället i mikroskala. Resultaten visade att nanoscintillatorerna är kemiskt och biologiskt stabila. De vandrar inte från injektionsstället eller bryts ned.

"Provberedning är extremt viktigt i dessa typer av biologisk analys, sade Antipova, en fysiker vid X-ray Science Division (XSD) vid APS. Antipova fick hjälp av Qiaoling Jin och Xueli Liu, som förberedde hjärnsektioner bara några mikrometer tjocka med juvelerarliknande noggrannhet.

"Det finns ett intensivt kommersiellt intresse för optogenetik för medicinska tillämpningar, ", sa Rozhkova. "Även om det fortfarande är på proof-of-concept-stadiet, vi förutspår att vårt patentsökta trådlösa tillvägagångssätt med små röntgenapparater kommer att ha en ljus framtid."

Den relaterade artikeln "Trådlös optogenetisk modulering av kortikala neuroner möjliggörs av radioluminescerande nanopartiklar" dök upp i ACS Nano .