圧電ナノ粒子は侵襲的手術を行わずに脳深部を刺激します

**BBBの開放と脳深部刺激** 全身投与された圧電ナノ粒子が、超音波に応答して局所的に NO を放出し、BBB 開口部を介して脳に蓄積する様子を示す概略図。超音波で刺激されたナノ粒子は、神経刺激のための電流を生成し、神経伝達物質の放出をもたらします。（礼儀： *Nat。バイオメッド。工学* 10.1038/s41551-022-00965-4)

脳に埋め込まれた電極が特定の標的に電気インパルスを伝達する脳深部刺激療法 (DBS) は、いくつかの神経疾患に対する効果的な臨床治療です。 DBS は現在、パーキンソン病、本態性振戦、ジストニアなどの運動障害、およびてんかんや強迫性障害などの症状の治療に使用されています。しかし、治療には刺激電極を挿入するための脳手術が必要であり、多くの副作用を引き起こす可能性があります。

侵襲的な手術の必要性をなくすために、浦項科学技術大学の研究者 (ポステック) 韓国では、圧電ナノ粒子に基づく非侵襲的な神経刺激戦略を開発しています。ナノ粒子は、血液脳関門 (BBB) の一時的な開放とドーパミン放出の刺激という XNUMX つの機能を果たします。どちらも、外部から適用される集束超音波によって制御されます。

圧電ナノ粒子は、超音波などの外部刺激に応答して変形し、直流電流を出力するため、神経刺激装置として興味深いものです。研究者は、この電流を使用してドーパミン作動性ニューロンを刺激し、神経伝達物質を放出させることができると提案しています。

重要な課題の XNUMX つは、ナノ粒子を脳に届けることです。具体的には、ナノ粒子を BBB を通過させる方法です。これを達成するために、研究者は BBB 破壊の可能性を示す反応性の高い分子である一酸化窒素 (NO) に注目しました。彼らは多機能システムを設計しました。 ネイチャーバイオメディカルエンジニアリング、NO放出BNN6およびポリドーパミン（pDA）でコーティングされたチタン酸バリウムナノ粒子を含む。超音波に応答して、これらのナノ粒子は NO と直流の両方を生成するはずです。

彼らのアプローチをテストするために、筆頭著者ウォン・ジョン・キムと同僚は、最初に NO を放出するナノ粒子の能力を調査しました。高密度集束超音波 (HIFU) の 5 s に応答して、ナノ粒子は瞬時に NO を放出しました。彼らはまた、パッチクランプのセットアップを使用して圧電挙動を評価しました。 pDAでコーティングされたナノ粒子を含まない溶媒は電流スパイクを示さなかったが、ナノ粒子の存在下では、超音波強度に比例する強度で特徴的な電流スパイクが見られた。

DBS は、Ca を開くことによって神経系を電気的に刺激すると仮定されています。²⁺ 近くのニューロンのチャネルと、シナプスでの神経伝達物質の放出を加速します。ナノ粒子で生成された電流が同様の神経刺激を提供できるかどうかを調べるために、チームは Ca を監視しました。²⁺ ニューロン様細胞のダイナミクス。細胞内Ca²⁺ 濃度は、ナノ粒子と超音波の両方を受信した細胞で大幅に増加しましたが、超音波またはナノ粒子単独では効果がありませんでした。

超音波刺激ナノ粒子で処理された細胞は、ドーパミンの細胞外濃度の増加も生成し、Ca²⁺ 流入を介した神経伝達物質の放出。繰り返しますが、超音波またはナノ粒子単独では有意な変化は見られませんでした。非圧電性ナノ粒子を使用したテストでは、Ca のわずかな変化が示されました²⁺ 流入と神経伝達物質の放出は、これらの効果が主に圧電刺激に反応して生じることを示しています。

研究者は次に一連の インビボの 研究。 NO を介した BBB の開口部を調査するために、マウスに NO 放出圧電ナノ粒子を静脈内注射し、超音波ガイド下で標的の脳部位に HIFU を適用しました。

*生体内* 研究マウスは、HIFU に続いて、ナノ粒子の静脈注射を受けました。（礼儀： *Nat。バイオメッド。工学* 10.1038/s41551-022-00965-4)

注入の 2 時間後、透過型電子顕微鏡により、対照群と比較して動物の脳内に蓄積されたナノ粒子の量が有意に多いことが明らかになり、NO の放出が BBB のタイトジャンクションを一時的に破壊したことが示された。研究者はまた、HIFU 適用の XNUMX 時間後に BBB が透過性を失ったことを示し、NO を介した BBB の破壊は一時的なものにすぎないことを確認しました。

最後に、チームはパーキンソン病のマウスモデルを使用して、ナノ粒子の治療効果を評価しました。マウスにナノ粒子を注射した後、視床下核 (米国食品医薬品局が承認した DBS 標的部位) に HIFU を複数回適用して、脳内のドーパミンレベルを回復させました。

超音波駆動ナノ粒子を使用した DBS は、運動協調や自発運動など、動物の行動機能を強化しました。マウスは、10 日間の毎日の HIFU 刺激により、運動機能の漸進的な改善を示し、自発運動は 16 日目までにほぼ回復しました。チームは、圧電ナノ粒子が神経伝達物質の放出を誘発し、重大な毒性を引き起こすことなくパーキンソン病の症状を大幅に緩和したと推測しています。 .