Gli scienziati fanno una scoperta fondamentale del metodo per la modulazione wireless dei neuroni con i raggi X che potrebbe migliorare la vita dei pazienti con disturbi cerebrali. La sorgente di raggi X richiede solo una macchina come quella che si trova nello studio di un dentista.

Molte persone in tutto il mondo soffrono di disturbi cerebrali legati al movimento. L'epilessia conta più di 50 milioni; tremore essenziale, 40 milioni; e il morbo di Parkinson, 10 milioni.

Un giorno potrebbe essere in arrivo un sollievo per alcune persone affette da disturbi cerebrali sotto forma di un nuovo trattamento inventato dai ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e di quattro università. Il trattamento si basa su scoperte sia nell'ottica che nella genetica. Sarebbe applicabile non solo ai disturbi cerebrali legati al movimento, ma anche depressione e dolore cronici.

Questo nuovo trattamento prevede la stimolazione dei neuroni in profondità all'interno del cervello per mezzo di nanoparticelle iniettate che si illuminano quando esposte ai raggi X (nanoscintillatori) ed eliminerebbe un intervento chirurgico cerebrale invasivo attualmente in uso.

"Il nostro approccio non invasivo ad alta precisione potrebbe diventare di routine con l'uso di una piccola macchina a raggi X, del tipo che si trova comunemente in ogni studio dentistico, " ha detto Elena Rozhkova, un autore principale e un nanoscienziato nel Center for Nanoscale Materials (CNM) di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

La stimolazione cerebrale profonda tradizionale richiede una procedura neurochirurgica invasiva per i disturbi quando la terapia farmacologica convenzionale non è un'opzione. Nella procedura tradizionale, approvato dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti, i chirurghi impiantano un generatore di impulsi calibrato sotto la pelle (simile a un pacemaker). Quindi lo collegano con una prolunga isolata agli elettrodi inseriti in un'area specifica del cervello per stimolare i neuroni circostanti e regolare gli impulsi anormali.

"Lo scienziato ispano-americano José Manuel Rodríguez Delgado dimostrò notoriamente la stimolazione cerebrale profonda in un'arena negli anni '60, " ha detto Vassiliy Tsytsarev, un neurobiologo dell'Università del Maryland e coautore dello studio. "Ha fermato un toro infuriato che lo caricava inviando un segnale radio a un elettrodo impiantato".

Circa 15 anni fa, scienziati hanno introdotto una rivoluzionaria tecnologia di neuromodulazione, "optogenetica, " che si basa sulla modificazione genetica di neuroni specifici nel cervello. Questi neuroni creano un canale ionico sensibile alla luce nel cervello e, in tal modo, fuoco in risposta alla luce laser esterna. Questo approccio, però, richiede fili in fibra ottica molto sottili impiantati nel cervello e risente della limitata profondità di penetrazione della luce laser attraverso i tessuti biologici.

L'approccio optogenetico alternativo del team utilizza nanoscintillatori iniettati nel cervello, bypassando elettrodi impiantabili o cavi a fibre ottiche. Al posto dei laser, sostituiscono i raggi X per la loro maggiore capacità di attraversare le barriere dei tessuti biologici.

"Le nanoparticelle iniettate assorbono l'energia dei raggi X e la convertono in luce rossa, che ha una profondità di penetrazione significativamente maggiore rispetto alla luce blu, " disse Zhaowei Chen, ex borsista post-dottorato CNM.

"Così, le nanoparticelle fungono da fonte di luce interna che fa funzionare il nostro metodo senza filo o elettrodo, " ha aggiunto Rozhkova. Poiché l'approccio del team può sia stimolare che sedare piccole aree mirate, Rozhkova ha osservato, ha altre applicazioni oltre ai disturbi cerebrali. Per esempio, potrebbe essere applicabile a problemi cardiaci e altri muscoli danneggiati.

Una delle chiavi del successo del team è stata la collaborazione tra due delle strutture di livello mondiale di Argonne:CNM e Advanced Photon Source (APS) di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Il lavoro in queste strutture è iniziato con la sintesi e la caratterizzazione multi-strumento dei nanoscintillatori. In particolare, la luminescenza ottica eccitata ai raggi X dei campioni di nanoparticelle è stata determinata su una linea di luce APS (20-BM). I risultati hanno mostrato che le particelle erano estremamente stabili per mesi e dopo ripetute esposizioni ai raggi X ad alta intensità.

Secondo Zou Finfrock, uno scienziato del personale presso la linea di luce APS 20-BM e Canadian Light Source, "Hanno continuato a brillare di una bellissima luce rosso-arancione".

Prossimo, Argonne ha inviato nanoscintillatori preparati da CNM all'Università del Maryland per i test sui topi. Il team dell'Università del Maryland ha eseguito questi test per due mesi con una piccola macchina a raggi X portatile. I risultati hanno dimostrato che la procedura ha funzionato come previsto. I topi il cui cervello era stato geneticamente modificato per reagire alla luce rossa hanno risposto agli impulsi dei raggi X con onde cerebrali registrate su un elettroencefalogramma.

Finalmente, il team dell'Università del Maryland ha inviato i cervelli degli animali per la caratterizzazione utilizzando la microscopia a fluorescenza a raggi X eseguita dagli scienziati di Argonne. Questa analisi è stata eseguita da Olga Antipova sulla linea di luce Microprobe (2-ID-E) presso l'APS e da Zhonghou Cai sulla Nanoprobe a raggi X duri (26-ID) gestita congiuntamente da CNM e APS.

Questa disposizione multi-strumento ha permesso di vedere minuscole particelle che risiedono nel complesso ambiente del tessuto cerebrale con una super risoluzione di dozzine di nanometri. Ha anche permesso di visualizzare i neuroni vicini e lontani dal sito di iniezione su una microscala. I risultati hanno dimostrato che i nanoscintillatori sono chimicamente e biologicamente stabili. Non si allontanano dal sito di iniezione né si degradano.

"La preparazione del campione è estremamente importante in questi tipi di analisi biologiche, " disse Antipova, un fisico della X-ray Science Division (XSD) dell'APS. Antipova è stata assistita da Qiaoling Jin e Xueli Liu, che ha preparato sezioni di cervello spesse solo pochi micrometri con una precisione da gioielliere.

"C'è un intenso livello di interesse commerciale per l'optogenetica per applicazioni mediche, ", ha detto Rozhkova. "Anche se ancora nella fase di proof-of-concept, prevediamo che il nostro approccio wireless in attesa di brevetto con piccole macchine a raggi X dovrebbe avere un futuro brillante".

L'articolo correlato "Modulazione optogenetica wireless dei neuroni corticali abilitata da nanoparticelle radioluminescenti" è apparso in ACS Nano .