Mély agyi stimuláció nanoméretű korongokkal

A Nature Nanotechnology folyóiratban október 11-én jelent meg a Massachusetts Institute of Technology (MIT) kutatóinak cikke, amelyben kísérleti stádiumban levő olyan mágneses nanodiszkekről adnak hírt, amelyek a jelenlegi módszereknél sokkal kevésbé invazív módon használhatók mély agyi stimuláció (DBS; deep brain stimulation) céljára.

A kutatók ezeket az apró, körülbelül 250 nanométer átmérőjű (az emberi hajszál szélességének körülbelül 1/500-ad része) korongokat közvetlenül az agy stimulálni kívánt régióiba juttatnák be, ahol bármikor aktiválhatók lennének a testen kívüli mágneses mező alkalmazásával.

A jelenleg alkalmazott mély agyi stimuláció (DBS) elterjedt klinikai eljárás, amely a célzott agyi régiókba beültetett elektródákat használ neurológiai és pszichiátriai betegségek, például a Parkinson-kór vagy kényszerbetegségek tüneteinek kezelésére. Hatékonysága ellenére a DBS műtéti nehézségei és a vele járó klinikai szövődmények korlátozzák azon esetek számát, amikor egy ilyen invazív eljárás indokolt. Az elmúlt évtizedben az agyi stimuláció előállítására más implantátum nélküli módszereket is kifejlesztettek. Ezeknél a megközelítéseknél azonban gyakran jelentett korlátot limitált térbeli felbontásuk vagy a mélyebb régiók elérésére való képességük. Az elmúlt évtizedben az MIT bioelektronikai kutatócsoportja és a szakterület más képviselői is elkezdtek mágneses nanoanyagokat használni a távoli mágneses jelek agyi stimulációvá történő átalakítására. Ezek a mágneses módszerek azonban genetikai módosításokra támaszkodtak, és embereken nem voltak alkalmazhatók.

Az MIT-n már korábban felvetődött, hogy egy olyan mágneses-elektromos nanoanyag, amely hatékonyan képes a mágnesezettséget elektromos potenciálokká alakítani, utat nyithat a távoli mágneses agyi stimuláció felé, azonban egy nanoméretű magnetoelektromos anyag létrehozása hatalmas kihívást jelentett. Most azonban úgy tűnik, nagy lépést sikerült tenni egy ilyen anyag kifejlesztése felé: az új nanodiszkek szerkezete egy kétrétegű mágneses magból és egy piezoelektromos héjból áll. A mágneses mag magnetostriktív, ami azt jelenti, hogy mágnesezés hatására megváltoztatja alakját. Ez az alakváltozás feszültséget indukál a piezoelektromos héjban, ami váltakozó elektromos polarizációt eredményez. A két hatás kombinációja révén ezek a kompozit részecskék képesek elektromos impulzusokat adni az idegsejteknek, amikor mágneses mezőnek vannak kitéve. A nanodiszkek hatékonyságának egyik kulcsa a korongszerű alakjuk. A mágneses nanorészecskék alkalmazására tett korábbi kísérletek gömb alakú részecskéket használtak, de a magnetoelektromos hatás akkor még nagyon gyengének bizonyult.

A most közölt vizsgálatok során a kutatócsoport megállapította, hogy a mágneses-elektromos nanodiszkek képesek voltak stimulálni több mélyen fekvő agyi régiót, például a ventrális tegmentális területet, amely a jutalom érzésével van kapcsolatban, és a motoros kontrollal összefüggésbe hozható subthalamicus magot is. Ez az a régió, ahová általában elektródákat ültetnek be a Parkinson-kór kezelésére. A kutatók sikeresen demonstrálták a motoros kontroll modulációját: egészséges egereknek csak az egyik agyféltekéjébe befecskendezve a nanodiszkek mágneses mezővel történő aktiválása pörgő-forgó mozgást váltott ki az állatokban.

A nanodiszkek a hagyományos módszer során beültetett, enyhe elektromos stimulációt biztosító elektródákhoz hasonló neuronális aktivitást tudtak kiváltani. A kutatók az új nanodiszkekkel másodperc alatti időbeli pontosságot értek el az idegi stimulációhoz, ugyanakkor az elektródákhoz képest jelentősen csökkent idegentest-reakciókat figyeltek meg, ami azt jelenti, hogy az új eljárás biztonságosabb mély agyi stimulációt tesz lehetővé.

Bár a kutatók sikeresen növelték a magnetostriktív hatást, a folyamat második része, a mágneses hatás elektromos kimenetté alakítása még további munkát igényel a szerzők szerint, hiszen míg a nanodiszkek mágneses válaszát ezerszeresére sikerült növelni, az elektromos impulzussá alakítás csak négyszer volt erősebb, mint a hagyományos gömb alakú részecskék esetében.

Bár a nanodiszkek az alapkutatásban elvileg már alkalmazhatók állati modellszervezetekben, az emberekben történő klinikai alkalmazáshoz több további lépésre lesz szükség, ezek közül az elsők a nagyobb testű emlős állatokon végzett biztonsági vizsgálatok lesznek.

Írásunk az alábbi közlemények alapján készült:

Innovative nanodiscs offer less invasive method for deep brain stimulation

Magnetoelectric nanodiscs enable wireless transgene-free neuromodulation

Forrás: AdobeStock

Irodalmi hivatkozás:

Kim, Y. J., et al. (2024) Magnetoelectric nanodiscs enable wireless transgene-free neuromodulation. Nature Nanotechnology. doi.org/10.1038/s41565-024-01798-9.