Die Tiefenhirnstimulation (THS), bei der in das Gehirn implantierte Elektroden elektrische Impulse an bestimmte Ziele abgeben, ist eine wirksame klinische Behandlung für mehrere neurologische Erkrankungen. DBS wird derzeit zur Behandlung von Bewegungsstörungen wie der Parkinson-Krankheit, essentiellem Tremor und Dystonie sowie von Erkrankungen wie Epilepsie und Zwangsstörungen eingesetzt. Die Behandlung erfordert jedoch eine Gehirnoperation, um die Stimulationselektroden einzusetzen, mit dem Potenzial, zahlreiche Nebenwirkungen zu verursachen.

Um die Notwendigkeit einer invasiven Operation zu beseitigen, haben Forscher der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) in Korea entwickeln eine nicht-invasive neuronale Stimulationsstrategie basierend auf piezoelektrischen Nanopartikeln. Die Nanopartikel erfüllen zwei Funktionen – die vorübergehende Öffnung der Blut-Hirn-Schranke (BBB) ​​und die Stimulierung der Freisetzung von Dopamin – beides gesteuert durch extern angewendeten fokussierten Ultraschall.

Piezoelektrische Nanopartikel sind als neuronale Stimulatoren interessant, weil sie sich als Reaktion auf äußere Reize – wie zum Beispiel Ultraschall – verformen und Gleichstrom abgeben. Die Forscher schlagen vor, dass dieser Strom dann verwendet werden könnte, um dopaminerge Neuronen zur Freisetzung von Neurotransmittern zu stimulieren.

Eine zentrale Herausforderung besteht darin, die Nanopartikel an das Gehirn zu liefern, insbesondere, wie sie über die BBB gelangen. Um dies zu erreichen, wandten sich die Forscher Stickstoffmonoxid (NO) zu, einem hochreaktiven Molekül, das Potenzial für eine Störung der BHS aufweist. Sie entwarfen ein multifunktionales System, beschrieben in Natur Biomedizintechnik, bestehend aus einem Bariumtitanat-Nanopartikel, das mit NO-freisetzendem BNN6 und Polydopamin (pDA) beschichtet ist. Als Reaktion auf Ultraschall sollten diese Nanopartikel sowohl NO als auch Gleichstrom erzeugen.

Um ihren Ansatz zu testen, Hauptautor Gewonnen Jong Kim und Kollegen untersuchten zuerst die Fähigkeit der Nanopartikel, NO freizusetzen. Als Reaktion auf 5 s hochintensiven fokussierten Ultraschall (HIFU) setzten die Nanopartikel sofort NO frei. Sie bewerteten auch das piezoelektrische Verhalten mit einem Patch-Clamp-Aufbau. Während Lösungsmittel ohne pDA-beschichtete Nanopartikel keine Stromspitzen zeigten, wurden in Anwesenheit der Nanopartikel deutliche Stromspitzen mit Intensitäten proportional zur Ultraschallintensität gesehen.

Es wird angenommen, dass DBS das Nervensystem durch Öffnen von Ca elektrisch stimuliert²⁺ Kanäle benachbarter Neuronen und beschleunigt dann die Freisetzung von Neurotransmittern an der Synapse. Um zu untersuchen, ob durch Nanopartikel erzeugter Strom eine ähnliche neurale Stimulation bewirken könnte, überwachte das Team das Ca²⁺ Dynamik neuronenähnlicher Zellen. Intrazelluläres Ca²⁺ Die Konzentration stieg in Zellen, die sowohl Nanopartikel als auch Ultraschall erhielten, signifikant an, während entweder Ultraschall oder Nanopartikel allein keine Wirkung hatten.

Zellen, die mit ultraschallstimulierten Nanopartikeln behandelt wurden, erzeugten auch eine erhöhte extrazelluläre Konzentration von Dopamin, was auf Ca hinweist²⁺ Influx-vermittelte Freisetzung von Neurotransmittern. Auch hier wurde weder mit Ultraschall noch mit Nanopartikeln allein eine signifikante Veränderung festgestellt. Tests mit nicht-piezoelektrischen Nanopartikeln zeigten unbedeutende Änderungen von Ca²⁺ Einstrom und Freisetzung von Neurotransmittern, was darauf hindeutet, dass diese Effekte hauptsächlich als Reaktion auf piezoelektrische Stimulation auftreten.

Als nächstes führten die Forscher eine Reihe von in vivo Studien. Um die NO-vermittelte BBB-Öffnung zu untersuchen, injizierten sie Mäusen intravenös NO-freisetzende piezoelektrische Nanopartikel und applizierten dann HIFU unter Ultraschallführung auf gezielte Gehirnstellen.

Zwei Stunden nach der Injektion zeigte die Transmissionselektronenmikroskopie deutlich höhere Mengen an angesammelten Nanopartikeln im Gehirn der Tiere im Vergleich zu Kontrollgruppen, was zeigt, dass die Freisetzung von NO die Tight Junctions in der BBB vorübergehend störte. Die Forscher zeigten auch, dass die BHS 2 Stunden nach der HIFU-Anwendung nicht mehr durchlässig war, was bestätigte, dass die NO-vermittelte BHS-Störung nur vorübergehend ist.

Schließlich bewertete das Team die therapeutische Wirkung der Nanopartikel anhand eines Mausmodells der Parkinson-Krankheit. Mäusen wurden Nanopartikel injiziert, gefolgt von mehreren Anwendungen von HIFU am Nucleus subthalamicus (der von der US-amerikanischen Food and Drug Administration zugelassenen Zielstelle für DBS), um den Dopaminspiegel im Gehirn wiederherzustellen.

DBS unter Verwendung der ultraschallgesteuerten Nanopartikel verbesserte die Verhaltensfunktionen der Tiere, einschließlich der motorischen Koordination und Bewegungsaktivität. Die Mäuse zeigten eine allmähliche Verbesserung der motorischen Funktion mit täglicher HIFU-Stimulation für 10 Tage, wobei die Bewegungsaktivität bis zum 16. Tag fast wiederhergestellt war. Das Team vermutet, dass die piezoelektrischen Nanopartikel die Freisetzung von Neurotransmittern induzierten, was die Symptome der Parkinson-Krankheit signifikant linderte, ohne eine signifikante Toxizität zu verursachen .

Personalisierte Hirnstimulation könnte unbehandelbare Depressionen behandeln

„Wir hoffen, dass auf Ultraschall ansprechende NO-freisetzende piezoelektrische Nanopartikel zu minimal-invasiven therapeutischen Ansätzen zur Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen weiterentwickelt werden können“, schlussfolgern sie.

Die Gruppe wendet nun grundlegende Studien an, um die zugrunde liegenden Mechanismen für die NO-vermittelte BBB-Öffnung zu bestimmen. „Wir entwickeln auch NO-modulierende Materialien der nächsten Generation, um ihre klinische Nutzung zu maximieren und gleichzeitig ihre unerwünschten Nebenwirkungen zu minimieren“, erklärt der Erstautor Taejeong Kim.

• SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
• Platoblockkette. Web3-Metaverse-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
• Quelle: https://physicsworld.com/a/piezoelectric-nanoparticles-provide-deep-brain-stimulation-without-invasive-surgery/