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A tecnologia sem fio do neuromodulation podia melhorar as vidas dos pacientes com desordens do cérebro

Os cientistas fazem a descoberta giratória do método para a modulação sem fio dos neurônios com raios X que poderiam melhorar as vidas dos pacientes com desordens do cérebro. A fonte do raio X exige somente uma máquina como aquela encontrada no escritório de um dentista.

Muitos povos no mundo inteiro sofrem das desordens movimento-relacionadas do cérebro. A epilepsia esclarece mais de 50 milhões; tremor essencial, 40 milhões; e a doença de Parkinson, 10 milhões.

O relevo para alguns sofredores da desordem do cérebro pode um dia estar na maneira sob a forma de um tratamento novo inventado por pesquisadores do Ministério de E.U. do laboratório (DOE) nacional do Argonne da Energia e das quatro universidades. O tratamento é baseado em descobertas em sistemas óticos e em genéticas. Seria aplicável não somente às desordens movimento-relacionadas do cérebro, mas igualmente à depressão e à dor crônicas.

Nossa aproximação não invasora da elevada precisão podia tornar-se rotineira com o uso de uma máquina de raio X pequena, o tipo encontrado geralmente em cada escritório dental.”

Elena Rozhkova, Nanoscientist, o centro de Argonne para materiais de Nanoscale

Este tratamento novo envolve a estimulação dos neurônios profundamente dentro do cérebro por meio dos nanoparticles injetados que se iluminam acima quando expor aos raios X (nanoscintillators) e eliminariam uma cirurgia de cérebro invasora actualmente em uso.

“Nossa aproximação não invasora da elevada precisão poderia tornar-se rotineira com o uso de uma máquina de raio X pequena, o tipo encontrado geralmente em cada escritório dental,” disse Elena Rozhkova, um autor principal e um nanoscientist no centro para os materiais de Nanoscale (CNM), um escritório de Argonne da GAMA da facilidade do usuário da ciência.

A estimulação profunda tradicional do cérebro exige um procedimento neurosurgical invasor para desordens quando o farmacoterapia convencional não é uma opção. No procedimento tradicional, aprovado pelos E.U. Food and Drug Administration, os cirurgiões implantam um gerador de pulso calibrado sob a pele (similar a um pacemaker).

Conectam-no então com um cabo de extensão isolado aos eléctrodos introduzidos em uma área específica do cérebro para estimular os neurônios circunvizinhos e para regular impulsos anormais.

“O cientista Espanhol-Americano José Manuel Rodríguez Delgado demonstrou famosa a estimulação profunda do cérebro em uma praça de touros nos anos 60,” disse Vassiliy Tsytsarev, um neurobiólogo da Universidade de Maryland e de um co-autor do estudo. “Trouxe um touro raging que cobra nele a uma paralisação enviando um sinal de rádio a um eléctrodo implantado.”

Aproximadamente 15 anos há, os cientistas introduziram uma tecnologia revolucionária do neuromodulation, o “optogenetics,” que confia na alteração genética dos neurônios específicos no cérebro. Estes neurônios criam um canal sensível à luz do íon no cérebro e, desse modo, o incêndio em resposta ao laser externo. Esta aproximação, contudo, exige os fios fibrópticos muito finos implantados no cérebro e sofre da profundidade de penetração limitada do laser através dos tecidos biológicos.

A aproximação alternativa do optogenetics da equipe usa nanoscintillators injetada no cérebro, contorneando os eléctrodos implantable ou fios fibrópticos. Em vez dos lasers, substituem raios X devido a sua maior capacidade para passar através das barreiras biológicas do tecido.

“Os nanoparticles injetados absorvem a energia do raio X e convertem-na na luz vermelha, que tem a profundidade de penetração significativamente maior do que a luz azul,” disseram Zhaowei Chen, companheiro pos-doctoral anterior de CNM.

“Assim, os nanoparticles servem como uma fonte luminosa interna que faça nosso trabalho do método sem um fio ou um eléctrodo,” Rozhkova adicionado. Desde que a aproximação de equipe pode estimular e conter áreas pequenas visadas, Rozhkova notou, ele tem outras aplicações do que desordens do cérebro. Por exemplo, poderia ser aplicável aos problemas do coração e outro danificou os músculos.

Uma das chaves da equipe ao sucesso era a colaboração entre duas das facilidades da mundo-classe em Argonne: Fotão avançado Source de CNM e de Argonne (APS), um escritório da GAMA da facilidade do usuário da ciência. O trabalho nestas facilidades começou com a síntese e a caracterização da multi-ferramenta dos nanoscintillators.

Em particular, a luminescência óptica entusiasmado do raio X das amostras do nanoparticle era determinada em um beamline dos APS (20-BM). Os resultados mostraram que as partículas eram meses excedentes extremamente estáveis e em cima da exposição repetida aos raios X da alta intensidade.

De acordo com Zou Finfrock, um cientista do pessoal no beamline dos APS 20-BM e fonte luminosa canadense, “mantiveram incandescer uma luz laranja-vermelho bonita.”

Em seguida, Argonne enviou nanoscintillators CNM-preparados à Universidade de Maryland para testes nos ratos. A equipe na Universidade de Maryland executou estes testes sobre dois meses com uma máquina de raio X portátil pequena. Os resultados mostraram que o procedimento trabalhou como previsto. Os ratos cujos os cérebros tinham sido alterados genetically para reagir à luz vermelha responderam aos pulsos do raio X com as ondas de cérebro gravadas em um electroencefalograma.

Finalmente, a equipe da Universidade de Maryland enviou os cérebros animais para a caracterização usando a microscopia de fluorescência do raio X executada por cientistas de Argonne. Esta análise foi executada por Olga Antipova no beamline do Microprobe (2-ID-E) em APS e por Zhonghou Cai no raio X duro Nanoprobe (26-ID) operou-se comum por CNM e por APS.

Este regime do multi-instrumento tornou possível considerar partículas minúsculas residir no ambiente complexo do tecido de cérebro com uma super-definição das dúzias dos nanômetros.

Igualmente reservou visualizar os neurônios perto e longe do local da injecção em um microscale. Os resultados mostraram que os nanoscintillators são quimicamente e biològica estáveis. Não vagueiam do local da injecção nem não degradam.

Da “a preparação amostra é extremamente importante nestes tipos de análise biológica,” disse Antipova, um físico na divisão de ciência do raio X (XSD) nos APS. Antipova foi ajudado por Qiaoling Jin e por Xueli Liu, que prepararam secções do cérebro somente alguns micrômetros grossos com joalheiro-como precisão.

“Há um nível intenso de interesse comercial no optogenetics para aplicações médicas,” disse Rozhkova. “Embora ainda na fase do prova--conceito, nós prevemos que nossa aproximação sem fio patente-pendente com as máquinas de raio X pequenas deve ter um futuro brilhante.”

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.