Wetenschappers doen een cruciale ontdekking van een methode voor draadloze modulatie van neuronen met röntgenstralen die het leven van patiënten met hersenaandoeningen zou kunnen verbeteren. De röntgenbron vereist alleen een machine zoals die in een tandartspraktijk.

Wereldwijd lijden veel mensen aan bewegingsgerelateerde hersenaandoeningen. Epilepsie is goed voor meer dan 50 miljoen; essentiële tremor, 40 miljoen; en de ziekte van Parkinson, 10 miljoen.

Mogelijk komt er ooit verlichting voor sommige patiënten met een hersenaandoening in de vorm van een nieuwe behandeling die is uitgevonden door onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en vier universiteiten. De behandeling is gebaseerd op doorbraken in zowel optica als genetica. Het zou niet alleen van toepassing zijn op bewegingsgerelateerde hersenaandoeningen, maar ook chronische depressie en pijn.

Deze nieuwe behandeling omvat stimulatie van neuronen diep in de hersenen door middel van geïnjecteerde nanodeeltjes die oplichten wanneer ze worden blootgesteld aan röntgenstralen (nanoscintillatoren) en zou een invasieve hersenchirurgie die momenteel wordt gebruikt, elimineren.

"Onze zeer nauwkeurige niet-invasieve aanpak zou routine kunnen worden met het gebruik van een kleine röntgenmachine, het soort dat gewoonlijk in elke tandartspraktijk wordt aangetroffen, " zei Elena Rozhkova, een hoofdauteur en een nanowetenschapper in Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Traditionele diepe hersenstimulatie vereist een invasieve neurochirurgische procedure voor aandoeningen wanneer conventionele medicamenteuze therapie geen optie is. Bij de traditionele werkwijze goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration, chirurgen implanteren een gekalibreerde pulsgenerator onder de huid (vergelijkbaar met een pacemaker). Vervolgens verbinden ze het met een geïsoleerd verlengsnoer met elektroden die in een specifiek deel van de hersenen zijn ingebracht om de omliggende neuronen te stimuleren en abnormale impulsen te reguleren.

"De Spaans-Amerikaanse wetenschapper José Manuel Rodríguez Delgado demonstreerde op beroemde wijze diepe hersenstimulatie in een arena in de jaren zestig, " zei Vassiliy Tsytsarev, een neurobioloog van de Universiteit van Maryland en een co-auteur van de studie. "Hij bracht een razende stier die op hem aanviel tot stilstand door een radiosignaal naar een geïmplanteerde elektrode te sturen."

Ongeveer 15 jaar geleden, wetenschappers introduceerden een revolutionaire neuromodulatietechnologie, "optogenetica, " die berust op genetische modificatie van specifieke neuronen in de hersenen. Deze neuronen creëren een lichtgevoelig ionkanaal in de hersenen en, daarbij, vuur als reactie op extern laserlicht. Deze aanpak, echter, vereist zeer dunne glasvezeldraden die in de hersenen zijn geïmplanteerd en lijdt onder de beperkte penetratiediepte van het laserlicht door biologische weefsels.

De alternatieve optogenetische benadering van het team maakt gebruik van nanoscintillatoren die in de hersenen worden geïnjecteerd, het omzeilen van implanteerbare elektroden of glasvezeldraden. In plaats van lasers, ze vervangen röntgenstralen vanwege hun grotere vermogen om door biologische weefselbarrières te gaan.

"De geïnjecteerde nanodeeltjes absorberen de röntgenstraling en zetten deze om in rood licht, die een aanzienlijk grotere penetratiediepte heeft dan blauw licht, " zei Zhaowei Chen, voormalig CNM postdoctoraal onderzoeker.

"Dus, de nanodeeltjes dienen als interne lichtbron waardoor onze methode werkt zonder draad of elektrode, " voegde Rozhkova toe. Omdat de aanpak van het team zowel gerichte kleine gebieden kan stimuleren als onderdrukken, Rozhkova merkte op, het heeft andere toepassingen dan hersenaandoeningen. Bijvoorbeeld, het kan van toepassing zijn op hartproblemen en andere beschadigde spieren.

Een van de sleutels tot succes van het team was de samenwerking tussen twee van de faciliteiten van wereldklasse in Argonne:CNM en Argonne's Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Het werk in deze faciliteiten begon met de synthese en multitoolkarakterisering van de nanoscintillatoren. Vooral, de door röntgenstraling geëxciteerde optische luminescentie van de nanodeeltjesmonsters werd bepaald bij een APS-bundellijn (20-BM). De resultaten toonden aan dat de deeltjes gedurende maanden en bij herhaalde blootstelling aan de hoge intensiteit röntgenstralen extreem stabiel waren.

Volgens Zou Finfrock, een stafwetenschapper bij de APS 20-BM beamline en Canadian Light Source, "Ze bleven een prachtig oranjerood licht gloeien."

Volgende, Argonne stuurde CNM-geprepareerde nanoscintillatoren naar de Universiteit van Maryland voor tests bij muizen. Het team van de Universiteit van Maryland voerde deze tests gedurende twee maanden uit met een kleine draagbare röntgenmachine. De resultaten toonden aan dat de procedure werkte zoals gepland. Muizen waarvan de hersenen genetisch waren gemodificeerd om op rood licht te reageren, reageerden op de röntgenpulsen met hersengolven die werden vastgelegd op een elektro-encefalogram.

Eindelijk, het team van de Universiteit van Maryland stuurde de dierenhersenen voor karakterisering met behulp van röntgenfluorescentiemicroscopie uitgevoerd door wetenschappers van Argonne. Deze analyse werd uitgevoerd door Olga Antipova op de Microprobe-bundellijn (2-ID-E) bij APS en door Zhonghou Cai op de Hard X-ray Nanoprobe (26-ID), gezamenlijk beheerd door CNM en APS.

Deze opstelling met meerdere instrumenten maakte het mogelijk om minuscule deeltjes te zien die zich in de complexe omgeving van het hersenweefsel bevinden met een superresolutie van tientallen nanometers. Het maakte het ook mogelijk om neuronen dichtbij en ver van de injectieplaats op microschaal te visualiseren. De resultaten toonden aan dat de nanoscintillatoren chemisch en biologisch stabiel zijn. Ze dwalen niet af van de injectieplaats of degraderen niet.

"Monstervoorbereiding is uiterst belangrijk bij dit soort biologische analyses, " zei Antipova, een fysicus in de X-ray Science Division (XSD) bij het APS. Antipova werd bijgestaan ​​door Qiaoling Jin en Xueli Liu, die hersensecties van slechts enkele micrometers dik maakte met een juwelierachtige nauwkeurigheid.

"Er is een intense commerciële interesse in optogenetica voor medische toepassingen, " zei Rozhkova. "Hoewel nog in de proof-of-concept-fase, we voorspellen dat onze draadloze aanpak, waarvoor patent is aangevraagd, met kleine röntgenapparaten een mooie toekomst zou hebben."

Het gerelateerde artikel "Draadloze optogenetische modulatie van corticale neuronen mogelijk gemaakt door radioluminescente nanodeeltjes" verscheen in ACS Nano .