Dva tima znanstvenika razvila su načine stimuliranja neurona nanočesticama, omogućujući im daljinsko aktiviranje moždanih stanica pomoću svjetla ili magnetskih polja. Nove metode su brže i daleko manje invazivne od ostalih dostupnih visokotehnoloških metoda, pa bi mogle biti prikladnije za potencijalne nove načine liječenja ljudskih bolesti, kao i druge neograničene mogućnosti upravljanja ljudima.
Istraživači imaju razne metode za manipuliranje aktivnošću moždanih stanica, od kojih je vjerojatno najmoćnija optogenetika, koja im omogućuje uključivanje ili isključivanje određenih moždanih stanica s neviđenom preciznošću i istovremeno bilježenje njihovog ponašanja pomoću impulsa svjetlosti.
To je vrlo korisno za sondiranje neuronskih krugova i ponašanja, ali uključuje prvo genetskim inženjeringom prepravljene miševe sa svjetlosno osjetljivim neuronima, a zatim umetanje optičkih vlakana koja dovode svjetlost u mozak, zbog čega postoje velike tehničke i etičke zapreke za njegovu upotrebu kod ljudi.
Nanomedicina bi tu zapreku mogla zaobići. Francisco Bezanilla sa Sveučilišta u Chicagu i njegovi kolege znali su da nanočestice zlata mogu apsorbirati svjetlost i pretvoriti je u toplinu, a prije nekoliko godina otkrili su da infracrvena svjetlost može natjerati neurone da aktiviraju živčane impulse zagrijavanjem njihovih staničnih membrana.
Stoga su nanočestice zlata spojili sa tri različite molekule koje prepoznaju i vežu se za proteine u staničnim membranama – otrov škorpiona Ts1, koji se veže na natrijev kanal koji sudjeluje u stvaranju živčanih impulsa, i antitijela koja vežu kanale P2X3 i TRPV1 – oba smještena u neuronima leđnog korijenskog ganglija (DRG) koji prenose informacije o dodiru i bolu leđnom moždinom u mozak.
Istraživači su dodali ove čestice DRG neuronima koji rastu u Petrijevim zdjelicama, tako da se vežu za stanice na kojima se nalaze relevantni proteini na njihovoj površini. Potom su izlagali stanice milisekundnim impulsima vidljive svjetlosti, koji su zagrijavali čestice, uzrokujući tako da stanice aktiviraju živčani impuls kao odgovor. To je bilo moguće ne samo na izoliranim neuronima, već i na dijelovima tkiva hipokampusa štakora. U obje situacije, čestice su ostale čvrsto na mjestu dodavanjem u niskim koncentracijama, što je omogućilo ponovljenu stimulaciju stanica tijekom više od pola sata.
Tim Poline Anikeeve s Tehnološkog instituta u Massachusettsu (MIT) usvojio je malo drugačiji pristup, koristeći sferične čestice željeznog oksida koje daju toplinu kada su izložene izmjeničnom magnetskom polju.
Prvo su ubrizgali virus koji nosi gen TRPV1 u ventralni tegmentum miševa, kako bi neuroni preuzeli virus i eksprimirali gen, čineći ih osjetljivima na toplinu. Mjesec dana kasnije ubrizgali su nanočestice u isti dio mozga, a zatim na njega primijenili magnetska polja. Zbog toga su nanočestice odavale toplinu dovoljno da aktiviraju TRPV1 kanale, uzrokujući da neuroni ispaljuju duge vlakove živčanih impulsa.
Neuroni gutaju nanočestice željeznog oksida, a istraživači su otkrili da su čestice koje su im ubrizgale ustrajale u mozgu životinja, tako da su mogle nastaviti aktivirati stanice u ventralnom tegmentumu i do mjesec dana kasnije, istodobno uzrokujući manja oštećenja tkiva uslijed djelovanja nehrđajućeg čelika za implantaciju elektrode.
Obje metode su prilično ograničene u svojoj specifičnosti. Nanočestice zlata vežu se samo za više vrsta stanica koje eksprimiraju natrijev kanal, P2X3 ili TRPV1, dok virus TRPV1 i čestice željeznog oksida slučajno ulaze u stanice oko mjesta ubrizgavanja. To se lako može riješiti, jer se nanočestice mogu konjugirati na gotovo svaku molekulu, ali iako obje metode mogu aktivirati neurone, niti ih mogu inhibirati, a uopće nije jasno kako bi se mogle prilagoditi da bi se to učinilo.
Nanočestice se već koriste u drugim poljima. Mogu, na primjer, ciljati i uništavati zloćudne stanice, pa stoga obećavaju u terapiji raka. U novije vrijeme neki su istraživači iskoristili njezinu sposobnost provlačenja kroz krvno-moždanu barijeru, te je koristili ih za vizualizaciju i smanjenje oštećenja i upale kod štakora.
Iako su još uvijek u eksperimentalnoj fazi, ovakva istraživanja na kraju mogu omogućiti bežičnu i minimalno invazivnu duboku stimulaciju ljudskog mozga.
Bezanillina skupina želi primijeniti svoju metodu za razvijanje tretmana makularne degeneracije i drugih stanja koja ubijaju stanice osjetljive na svjetlost u mrežnici. To bi uključivalo ubrizgavanje nanočestica u oko tako da se vežu za druge stanice mrežnice, dopuštajući prirodnom svjetlu da ih pobudi ispaljivanjem impulsa u vidni živac.
Reference:
Carvalho-de-Souza, J. L., et al. (2015). Photosensitivity of Neurons Enabled by Cell-Targeted Gold Nanoparticles. Neuron, DOI: 10.1016/j.neuron.2015.02.033
Chen, R., et al. (2015). Wireless magnetothermal deep brain stimulation. Science, DOI: 10.1126/science.1261821 [PDF]
Prijevod: Vigor
