211service.com
Implant mózgu wykorzystujący światło
Naukowcy z firmy Medtronic opracowują prototyp implantu neuronowego, który wykorzystuje światło do zmiany zachowania neuronów w mózgu. Urządzenie opiera się na powstającej nauce neuromodulacji optogenetycznej, w której określone komórki mózgowe są genetycznie modyfikowane, aby reagować na światło. Medtronic, największy na świecie producent technologii biomedycznych, zamierza wykorzystać urządzenie do lepszego zrozumienia, w jaki sposób terapie elektryczne, obecnie stosowane w leczeniu choroby Parkinsona i innych zaburzeń, łagodzą objawy tych chorób. Naukowcy z Medtronic twierdzą, że wykorzystają odkrycia do ulepszenia stymulatorów elektrycznych, które firma już sprzedaje, ale inni ostatecznie mają nadzieję na bezpośrednie wykorzystanie terapii optycznych jako leczenia.
Terapia światłem: Neuron (zielony) zaprojektowany do wyrażania wrażliwego na światło białka aktywuje się w odpowiedzi na określone długości fal światła. Elektroda szklana (lewy dolny róg) rejestruje odpowiedź elektryczną neuronu. Naukowcy z firmy Medtronic wykorzystali ten system, aby potwierdzić, że nowy wszczepialny stymulator może prawidłowo aktywować neurony światłem.
Dzisiejsze implanty nerwowe działają poprzez dostarczanie odmierzonych dawek stymulacji elektrycznej za pomocą cienkiej elektrody wprowadzonej chirurgicznie przez mały otwór w czaszce pacjenta, z końcówką wszczepioną w zlokalizowany obszar mózgu. Odkąd amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków zatwierdziła takie urządzenia do rozrusznika mózgu i stosowane przez nie leczenie elektryczne – zwane głęboką stymulacją mózgu (DBS) – w przypadku zaburzenia zwanego drżeniem samoistnym w 1997 roku, choroby Parkinsona w 2002 roku i dystonii w 2003 roku, ponad Zainstalowało je 75 000 osób. Uważa się, że impulsy elektryczne przeciwdziałają nieprawidłowej aktywności nerwowej, która wynika z różnych chorób, chociaż lekarze niewiele wiedzą o działaniu DBS.
Pomimo sukcesu, takie protezy nerwowe mają poważne wady. Poza dosadnym faktem ich fizycznej lokalizacji, stymulują neurony w pobliżu elektrody bezkrytycznie. Ta nadaktywność może wywoływać zawroty głowy, mrowienie i inne skutki uboczne. Ponadto wytwarzają szum elektryczny, który utrudnia śledzenie cichszych sygnałów neuronowych, a jednoczesne korzystanie z systemów skanujących, takich jak MRI, jest praktycznie niemożliwe, co z kolei uniemożliwia naukowcom uzyskanie jakichkolwiek dowodów na to, jak faktycznie działa DBS.
W ciągu ostatnich kilku lat naukowcy opracowali sposób na stymulację neuronów za pomocą światła zamiast elektryczności. Naukowcy najpierw wprowadzają gen światłoczułej cząsteczki, zwanej rodopsyną kanałową 2 (ChR2), do określonego podzbioru neuronów. Oświetlanie tych neuronów niebieskim światłem powoduje ich odpalenie. Jedną z zalet tego podejścia jest jego specyficzność – aktywowane są tylko neurony z genem. Zapewnia również sposób na wyłączenie neuronów – wprowadzenie innej cząsteczki, halorodopsyny (NpHR), wycisza komórki w odpowiedzi na żółte światło. To kolejna wyjątkowa cecha tego podejścia, mówi Tim Denison, starszy kierownik ds. inżynierii układów scalonych w dziale neuromodulacji firmy Medtronic. Pozwala nam wyciszyć aktywność neuronów, co przy elektrostymulacji jest niezwykle trudne.
Podczas gdy naukowcy akademiccy opracowują nowe narzędzia do dostarczania światła do mózgu, Medtronic opracowuje implant optogenetyczny do użytku komercyjnego. Moduł, który ma wielkość i kształt małego pendrive'a, posiada bezprzewodowe łącza danych, jednostkę zarządzania energią, mikrokontroler i stymulator optyczny. Wykorzystuje przewód światłowodowy do kierowania światła z niebieskiej lub zielonej diody LED na docelowe neurony w mózgu. Firma planuje wprowadzić urządzenie na rynek badaczom neuronauki i wykorzystać je do wewnętrznych badań nad skutkami DBS.
Naukowcy firmy Medtronic podkreślają bardzo wczesny charakter urządzenia. To są badania do użytku z modelami zwierzęcymi i nie są obecnie gotowe do jakiegokolwiek tłumaczenia przez człowieka, podkreśla Denison. Mimo to kontynuuje: Ekscytujące jest to, że dzisiejsze terapie nadal opierają się na tych opartych na elektryczności pomysłach z XIX wieku. Teraz ta nowatorska, przełomowa technologia oferuje unikalny interfejs do układu nerwowego.
Obecnie ponad 500 laboratoriów stosuje narzędzia optogenetyczne w modelach zwierzęcych choroby Parkinsona, ślepoty, urazów kręgosłupa, depresji, narkolepsji, uzależnień i pamięci. Firma Medtronic, która zbudowała swoją działalność na pionierskich wdrożeniach badań medycznych na rynku, przeprowadziła szerokie konsultacje z pionierami optogenetycznymi Karl Deisseroth Stanforda i Eda Boydena z MIT, aby zbudować implant wspierający tę nową naukę. (Boyden jest okazjonalnym felietonistą dla Przegląd technologii .)
Aby przekształcić implant badawczy w urządzenie kliniczne, firma Medtronic lub inne firmy będą musiały znaleźć sposoby na bezpieczne dostarczanie niezbędnych genów do określonych obwodów neuronalnych w mózgu. Denison uważa, że rozwój praktycznych terapii opartych na optogenetyce dla ludzkich pacjentów będzie przebiegał stopniowo. Szczerze mówiąc, to technologia, nad którą mój syn pracuje jako pracownik firmy Medtronic, mówi.
Boyden z MIT przewiduje jednak bardziej przyspieszony rozwój: myślę, że bardziej w okresie od trzech do dziesięciu lat, mówi. Boyden jest współzałożycielem firmy Eos, która ma opracować terapie genowe do leczenia ślepoty. (Ponieważ jest skierowany do oka, ta terapia nie wymaga implantu.) Jerry Silver z Case-Western University ma startup LucCell , który ma na celu takie terapie przywracające funkcję uszkodzonego rdzenia kręgowego. Terapia genowa to dziedzina dojrzewania, mówi Silver. Istnieje typ wirusa o nazwie AAV –wirus związany z adenowirusem – czyli naturalny, który prawie każdy z nas już nosi, nie ma żadnych objawów i który był już stosowany u setek pacjentów bez jednego poważnego zdarzenia niepożądanego.
Ogólnie rzecz biorąc, Boyden podsumowuje: W wielu zaburzeniach nerwowych lub psychicznych bardzo mała część komórek mózgowych ma bardzo duże zmiany – choroba Parkinsona to śmierć być może kilku tysięcy komórek. Jeśli za pomocą optogenetyki możesz skorygować te dalsze cele bez zmiany wszystkich „normalnych neuronów” – w cudzysłowie – możesz rozwiązać nasz obecny problem, który polega na tym, że każdy lek do leczenia zaburzeń mózgu ma bardzo poważne skutki uboczne, a implanty neuronowe są niezwykle tępymi narzędziami . Więc to jest nadzieja.