Новый метод может пролить «исцеляющий свет» на мозг пациентов с двигательными расстройствами

Ученые совершили ключевое открытие метода беспроводной модуляции нейронов с помощью рентгеновских лучей, который может улучшить жизнь пациентов с нарушениями мозга. Для этого требуется лишь рентгеновский аппарат, подобный тому, что есть в стоматологических кабинетах.

Многие люди во всем мире страдают от двигательных расстройств мозга: эпилепсией — более 50 миллионов, эссенциальным тремором — 40 миллионов, болезнью Паркинсона — 10 миллионов.

Новый метод лечения, изобретенный исследователями из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и четырех университетов, основан на прорывах в оптике и генетике. Он применим не только к двигательным расстройствам, но и к хронической депрессии и боли.

Суть метода

Традиционная глубокая стимуляция мозга (DBS), одобренная FDA, требует инвазивной нейрохирургической операции по имплантации электродов. Альтернативная технология «оптогенетика», появившаяся около 15 лет назад, использует генетически модифицированные светочувствительные нейроны, активируемые лазером, но также требует имплантации тонких оптоволоконных проводов.

Новый подход команды использует нанолюминофоры (наносцинтилляторы), введенные в мозг. Вместо лазера применяются рентгеновские лучи, которые лучше проникают через биологические ткани. Наночастицы поглощают энергию рентгеновского излучения и преобразуют его в красный свет, который имеет большую глубину проникновения, чем синий свет, используемый в классической оптогенетике.

«Таким образом, наночастицы служат внутренним источником света, что позволяет нашему методу работать без проводов или электродов», — отметила Елена Рожкова, ведущий автор и наноученый из Центра наномасштабных материалов (CNM) Аргонна.

Исследование и результаты

Ключом к успеху стало сотрудничество двух мировых объектов Аргонна: CNM и Усовершенствованного источника фотонов (APS).

1. Наносцинтилляторы были синтезированы и охарактеризованы. Их рентгеновско-возбужденная оптическая люминесценция была определена на пучковой линии APS (20-BM). Частицы оказались чрезвычайно стабильными в течение месяцев.
2. Наночастицы, приготовленные в CNM, были отправлены в Университет Мэриленда для испытаний на мышах с помощью портативного рентгеновского аппарата. Мыши, чей мозг был генетически модифицирован для реакции на красный свет, отвечали на импульсы рентгеновского излучения, что фиксировалось на электроэнцефалограмме.
3. Мозг животных был исследован с помощью рентгеновской флуоресцентной микроскопии на APS. Анализ с наноразрешением показал, что наносцинтилляторы химически и биологически стабильны, не мигрируют от места инъекции и не разлагаются.

Перспективы

«Хотя метод еще находится на стадии подтверждения концепции, мы прогнозируем, что наш запатентованный беспроводной подход с использованием небольших рентгеновских аппаратов должен иметь светлое будущее», — сказала Рожкова. Метод потенциально применим и за пределами неврологии, например, для лечения проблем с сердцем и других поврежденных мышц.

Исследование «Wireless optogenetic modulation of cortical neurons enabled by radioluminescent nanoparticles» опубликовано в ACS Nano.