科学者たちは、脳障害のある患者の生活を改善する可能性のあるX線によるニューロンの無線変調の方法を極めて重要な発見をしています。 X線源は、歯科医院にあるような機械だけを必要とします。
世界中の多くの人々が運動関連の脳障害に苦しんでいます。 てんかんは 50 百万; 本態性振戦、 40 百万; とパーキンソン病、 10 百万。
一部の脳障害患者の救済は、いつの日か、米国エネルギー省の研究者によって発明された新しい治療法の形で進行中である可能性があります（DOE）アルゴンヌ国立研究所とXNUMXつの大学。 この治療法は、光学と遺伝学の両方におけるブレークスルーに基づいています。 運動に関連する脳障害だけでなく、慢性的なうつ病や痛みにも適用できます。
「私たちの高精度の非侵襲的アプローチは、すべての歯科医院で一般的に見られる種類の小型X線装置を使用することで日常的になる可能性があります。」 —アルゴンヌ国立研究所のナノスケール材料のナノ科学者、エレナ・ロジコワ
この新しい治療法は、X線（ナノシンチレーター）にさらされると点灯し、現在使用されている侵襲的な脳外科手術を排除する注入ナノ粒子による脳深部のニューロンの刺激を含みます。
「私たちの高精度の非侵襲的アプローチは、すべての歯科医院で一般的に見られる種類の小型X線装置を使用することで、日常的になる可能性があります」CNM） DOE 科学局ユーザー施設。
従来の脳深部刺激療法では、従来の薬物療法が選択肢にない場合、障害に対して侵襲的な脳神経外科手術が必要です。 米国食品医薬品局によって承認された従来の手順では、外科医は、（ペースメーカーと同様に）皮膚の下に較正されたパルス発生器を埋め込みます。 次に、それを絶縁された延長コードで脳の特定の領域に挿入された電極に接続して、周囲のニューロンを刺激し、異常なインパルスを調節します。
「スペイン系アメリカ人の科学者ホセ・マヌエル・ロドリゲス・デルガドは、闘牛場で脳深部刺激療法を行ったことで有名です。 1960メリーランド大学の神経生物学者であり、この研究の共著者であるVassiliyTsytsarevは述べています。 「彼は、埋め込まれた電極に無線信号を送ることによって、彼に向かって突進している猛烈な雄牛を停止させました。」
About 15 数年前、科学者たちは革新的な神経調節技術を導入しました。 「光遺伝学」は、脳内の特定のニューロンの遺伝子組み換えに依存しています。 これらのニューロンは、脳内に感光性イオンチャネルを作成し、それによって外部レーザー光に応答して発火します。 ただし、このアプローチでは、脳に非常に細い光ファイバーワイヤを埋め込む必要があり、生体組織を通過するレーザー光の侵入深さが制限されます。
チームの代替オプトジェネティクスアプローチでは、脳に注入されたナノシンチレーターを使用し、埋め込み型電極または光ファイバーワイヤーをバイパスします。 レーザーの代わりに、生体組織の障壁を通過する能力が高いため、X線に置き換えられます。
「注入されたナノ粒子はX線エネルギーを吸収し、それを赤色光に変換します。赤色光は、青色光よりもはるかに深い侵入深さを持っています」と、元ZhaoweiChen氏は述べています。 CNM ポスドク。
「したがって、ナノ粒子は、ワイヤーや電極なしで私たちの方法を機能させる内部光源として機能します」とRozhkova氏は付け加えました。 チームのアプローチは、標的とされた小さな領域を刺激し、鎮圧することができるので、Rozhkovaは、脳障害以外の用途があると述べました。 たとえば、心臓の問題やその他の損傷した筋肉に適用できます。
チームの成功の鍵のXNUMXつは、アルゴンヌにあるXNUMXつの世界クラスの施設間のコラボレーションでした。 CNM およびアルゴンヌの高度なフォトンソース（APS） DOE 科学局ユーザー施設。 これらの施設での作業は、ナノシンチレーターの合成とマルチツールの特性評価から始まりました。 特に、ナノ粒子サンプルのX線励起光発光は、 APS ビームライン（20-bm）。 結果は、粒子が数ヶ月にわたって、そして高強度のX線に繰り返しさらされたときに非常に安定していることを示しました。
Zou Finfrockによると、 APS 20-bm ビームラインとカナダの光源、 「彼らは美しいオレンジレッドの光を放ち続けました。」
次に、アルゴンヌは、マウスでのテストのために、CNMで準備されたナノシンチレーターをメリーランド大学に送りました。 メリーランド大学のチームは、小型のポータブルX線装置を使用してXNUMXか月にわたってこれらのテストを実行しました。 結果は、手順が計画どおりに機能したことを証明しました。 脳が赤色光に反応するように遺伝子組み換えされたマウスは、脳波に記録された脳波でX線パルスに反応しました。
最後に、メリーランド大学のチームは、アルゴンヌの科学者が実施した蛍光X線顕微鏡を使用した特性評価のために動物の脳を送りました。 この分析は、マイクロプローブビームラインでOlga Antipovaによって実行されました（2-ID-E）で APS 硬X線ナノプローブに関するZhonghouCaiによる（26-ID）共同運営 CNM & APS.
この複数の機器の配置により、脳組織の複雑な環境に存在する小さな粒子を数十ナノメートルの超解像で見ることが可能になりました。 また、マイクロスケールで注射部位の近くと遠くのニューロンを視覚化することもできました。 結果は、ナノシンチレーターが化学的および生物学的に安定していることを証明した。 それらは注射部位からさまよったり、分解したりしません。
「これらのタイプの生物学的分析では、サンプルの準備が非常に重要です」と、X線科学部門の物理学者であるAntipovaは述べています（XSD）で APS。 Antipovaは、QiaolingJinとXueliLiuの支援を受けました。彼らは、宝石商のような精度でわずか数マイクロメートルの厚さの脳切片を作成しました。
「医療用途のオプトジェネティクスには強いレベルの商業的関心があります」とRozhkova氏は述べています。 「まだ概念実証の段階にありますが、小型X線装置を使用した特許出願中のワイヤレスアプローチには明るい未来があるはずです。」
関連記事 「放射線ルミネセンスナノ粒子によって可能になる皮質ニューロンの無線光遺伝学的変調」は、 ACS ナノ。 Rozhkova、Chen、Finfrock、Antipova、Caiに加えて、別のアルゴンヌの著者はRosemarieWiltonです。 大学の貢献者には、メリーランド大学生物工学部のVassiliy Tsytsarev、Dongyi Wang、Yi Liu、Brandon Gaitan、Yang Tao、YuChenが含まれます。 メリーランド大学医学部の荒川博之とエルズルムルレハ。 ユニフォームドサービスユニフォームドサービスユニバーシティオブヘルスサイエンスのフリッツリシュカ。 ピッツバーグ大学神経生物学部のブライアンフック。 福州大学のHuanghaoYang。
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この研究は、 DOE 国立衛生研究所および国立科学財団の科学局。
アルゴンヌ国立研究所について
ナノスケール材料センターはXNUMXつのうちのXNUMXつです DOE ナノスケール科学研究センター、ナノスケールでの学際的研究のための最高の全国ユーザー施設は、 DOE 科学局。 NSRCは、ナノスケール材料を製造、処理、特性評価、モデル化するための最先端の機能を研究者に提供し、国家ナノテクノロジーイニシアチブの最大のインフラ投資を構成する一連の補完的な施設で構成されています。 NSRCは次の場所にあります。 DOEのアルゴンヌ、ブルックヘブン、ローレンスバークレー、オークリッジ、サンディア、ロスアラモス国立研究所。 詳細については、 DOE NSRCについては、https：/にアクセスしてください。
高度なフォトンソースについて
米国エネルギー省科学局の高度な光子源（APS）アルゴンヌ国立研究所は、世界で最も生産性の高いX線光源施設のXNUMXつです。 ザ・ APS 材料科学、化学、物性物理学、生命科学、環境科学、応用研究の研究者の多様なコミュニティに高輝度X線ビームを提供します。 これらのX線は、材料や生物学的構造の探索に最適です。 元素分布; 化学的、磁気的、電子的状態; バッテリーから燃料噴射装置スプレーまで、技術的に重要な幅広いエンジニアリングシステム。これらはすべて、我が国の経済的、技術的、物理的な幸福の基盤です。 毎年、 5,000 研究者は APS 上に生産する 2,000 影響力のある発見を詳述し、他のどのX線光源研究施設のユーザーよりも重要な生物学的タンパク質構造を解決する出版物。 APS 科学者とエンジニアは、加速器と光源の操作を進める上で中心となる技術を革新します。 これには、研究者が高く評価する超高輝度X線を生成する挿入デバイス、X線を数ナノメートルまで集束させるレンズ、X線が調査対象のサンプルと相互作用する方法を最大化する機器、収集および収集するソフトウェアが含まれます。での発見研究から得られた大量のデータを管理します APS.
この研究では、米国のAdvanced PhotonSourceのリソースを使用しました DOE のために運営されている科学局ユーザー施設 DOE 契約番号の下のアルゴンヌ国立研究所による科学局。 DE-AC02–06CH11357.
アルゴンヌ国立研究所 科学技術における国家的問題の解決策を模索しています。 全国初の国立研究所であるアルゴンヌは、事実上すべての科学分野で最先端の基礎および応用科学研究を実施しています。 アルゴンヌの研究者は、何百もの企業、大学、および連邦、州、地方自治体の機関の研究者と緊密に連携して、特定の問題を解決し、アメリカの科学的リーダーシップを前進させ、より良い未来に向けて国を準備するのを支援します。 以上の従業員と 60 各国、アルゴンヌはUChicagoArgonneによって管理されています。 LLC 米国エネルギー省の科学局のために。
米国エネルギー省の科学局 は、米国の物理科学における基礎研究の最大の支持者であり、私たちの時代の最も差し迫った課題のいくつかに取り組むために取り組んでいます。 詳細については、https：/をご覧ください。
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出典：https：//bioengineer.org/shining-a-healing-light-on-the-brain/
