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La tecnologia wireless di neuromodulatore ha potuto migliorare le vite dei pazienti con i disordini del cervello

Gli scienziati fanno la scoperta chiave del metodo per modulazione wireless dei neuroni con i raggi x che potrebbero migliorare le vite dei pazienti con i disordini del cervello. La sorgente dei raggi x richiede soltanto un commputer come quella trovata nell'ufficio di un dentista.

Molta gente universalmente soffre dai disordini in relazione con il movimento del cervello. L'epilessia rappresenta più di 50 milioni; tremito essenziale, 40 milioni; e malattia del Parkinson, 10 milioni.

Il sollievo per alcune vittime di disordine del cervello può l'un giorno essere sul modo sotto forma di nuovo trattamento inventato dai ricercatori dal Dipartimento per l'energia di Stati Uniti il laboratorio nazionale (DOE) del Argonne e quattro università. Il trattamento è basato sulle innovazioni sia nelle ottica che nella genetica. Sarebbe applicabile non solo ai disordini in relazione con il movimento del cervello, ma anche alla depressione ed al dolore cronici.

Il nostro approccio non invadente di alta precisione ha potuto diventare sistematico con l'uso di piccolo commputer di raggi x, il genere trovato comunemente in ogni ufficio dentario.„

Elena Rozhkova, Nanoscientist, il centro di Argonne per i materiali di Nanoscale

Questo nuovo trattamento comprende lo stimolo dei neuroni in profondità all'interno del cervello per mezzo di nanoparticelle iniettate che si illuminano una volta esposte ai raggi x (nanoscintillators) ed eliminerebbero una neurochirurgia dilagante corrente in uso.

“Il nostro approccio non invadente di alta precisione potrebbe diventare sistematico con l'uso di piccolo commputer di raggi x, il genere trovato comunemente in ogni ufficio dentario,„ ha detto Elena Rozhkova, un autore principale e un nanoscientist nel centro per i materiali di Nanoscale (CNM), un ufficio di Argonne della DAINA della funzione dell'utente di scienza.

Lo stimolo profondo tradizionale del cervello richiede una procedura neurochirurgica dilagante per i disordini quando la terapia farmacologica convenzionale non è un'opzione. Nella procedura tradizionale, approvata dagli Stati Uniti Food and Drug Administration, i chirurghi impiantano un generatore di impulsi calibrato sotto l'interfaccia (simile ad uno stimolatore cardiaco).

Poi lo connettono con un cavo di estensione isolato agli elettrodi inseriti in un'area specifica del cervello per stimolare i neuroni circostanti e per regolamentare gli impulsi anormali.

“Lo scienziato ispano-americano José Manuel Rodríguez Delgado notoriamente ha dimostrato lo stimolo profondo del cervello in un'arena negli anni 60,„ ha detto Vassiliy Tsytsarev, un neurobiologo dall'università del Maryland e da un co-author dello studio. “Ha portato un toro infuriarsi che fa pagare lui ad una fermata inviando un segnale radio ad un elettrodo impiantato.„

Circa 15 anni fa, gli scienziati hanno introdotto una tecnologia rivoluzionaria di neuromodulatore, “optogenetics,„ che conta su modifica genetica dei neuroni specifici nel cervello. Questi neuroni creano un canale ionico sensibile alla luce nel cervello e, quindi, l'incendio in risposta a luce laser esterna. Questo approccio, tuttavia, richiede i collegare a fibre ottiche molto sottili impiantati nel cervello e soffre dalla profondità di infiltrazione limitata della luce laser attraverso i tessuti biologici.

L'approccio alternativo del optogenetics del gruppo utilizza i nanoscintillators iniettato nel cervello, oltrepassando gli elettrodi impiantabili o i collegare a fibre ottiche. Invece dei laser, sostituiscono i raggi x a causa della loro maggior capacità di passare attraverso le barriere biologiche del tessuto.

“Le nanoparticelle iniettate assorbono l'energia dei raggi x e la convertono in luce rossa, che ha profondità di infiltrazione significativamente maggior che l'indicatore luminoso blu,„ hanno detto Zhaowei Chen, ex collega postdottorale di CNM.

“Così, le nanoparticelle serviscono da sorgente luminosa interna che fa il nostro lavoro di metodo senza un collegare o un elettrodo,„ Rozhkova aggiunto. Poiché l'approccio del gruppo può sia stimolare che acquietare le piccole zone mirate a, Rozhkova ha notato, ha altre applicazioni che i disordini del cervello. Per esempio, potrebbe essere applicabile ai problemi del cuore ed altro ha danneggiato i muscoli.

Uno dei tasti del gruppo a successo era la collaborazione fra due degli impianti di livello internazionale a Argonne: Sorgente avanzata del fotone di Argonne e di CNM (APS), un ufficio della DAINA della funzione dell'utente di scienza. Il lavoro a questi impianti ha cominciato con la sintesi e la caratterizzazione dello multi-strumento dei nanoscintillators.

In particolare, la luminescenza ottica eccitata raggi x dei campioni di nanoparticella era risoluta ad un beamline di APS (20-BM). I risultati hanno indicato che le particelle erano mesi eccessivi estremamente stabili e sopra l'esposizione ripetuta ai raggi x ad alta intensità.

Secondo Zou Finfrock, uno scienziato del personale al beamline di APS 20-BM ed alla sorgente luminosa canadese, “hanno continuato emettere luce un bello indicatore luminoso rosso arancio.„

Dopo, Argonne ha inviato i nanoscintillators CNM-pronti all'università del Maryland per le prove in mouse. Il gruppo all'università del Maryland ha eseguito queste prove oltre due mesi con un piccolo commputer di raggi x portatile. I risultati hanno provato che la procedura ha funzionato come previsto. I mouse di cui i cervelli geneticamente erano stati modificati per reagire a luce rossa hanno risposto agli impulsi dei raggi x con le onde cerebrali registrate su un elettroencefalogramma.

Per concludere, il gruppo dell'università del Maryland ha inviato i cervelli animali per la caratterizzazione facendo uso di microscopia di fluorescenza a raggi X eseguita dagli scienziati di Argonne. Questa analisi è stata eseguita da Olga Antipova sul beamline della microsonda (2-ID-E) ai APS e da Zhonghou Cai sui raggi x duri Nanoprobe (26-ID) ha funzionato insieme da CNM e dai APS.

Questa disposizione dello multi-strumento ha permesso di vedere le particelle minuscole risiedere nell'ambiente complesso del tessuto cerebrale con una super-risoluzione di dozzine di nanometri.

Egualmente ha conceduto visualizzare i neuroni vicino e lontano dal sito iniezione su una microscala. I risultati hanno provato che i nanoscintillators sono chimicamente e biologicamente stabili. Non vagano dal sito iniezione o non si degradano.

“Il preparato del campione è estremamente importante in questi tipi di analisi biologiche,„ ha detto Antipova, un fisico nella divisione di scienza dei raggi x (XSD) ai APS. Antipova è stato assistito da Qiaoling Jin e da Xueli Liu, che hanno preparato le sezioni del cervello soltanto alcuni micrometri spessi con accuratezza del tipo di gioielliere.

“C'è un livello di interesse commerciale intenso in optogenetics per le applicazioni mediche,„ ha detto Rozhkova. “Sebbene ancora nella fase del proof of concept, prediciamo che il nostro approccio wireless brevetto-in corso con i piccoli commputer di raggi x dovrebbe avere un futuro luminoso.„

Source:
Journal reference:

Chen, Z., et al. (2021) Wireless Optogenetic Modulation of Cortical Neurons Enabled by Radioluminescent Nanoparticles. ACS Nano. doi.org/10.1021/acsnano.0c10436.