Bolesti ljudskog mozga, kao što je Parkinsonova bolest, uključuju oštećenje više od jednog regiona mozga, zahtevajući tehnologiju koja može precizno i fleksibilno da se bavi svim pogođenim regionima istovremeno.
Istraživači sa Vašingtonskog univerziteta u Sent Luisu razvili su neinvazivnu tehnologiju koja kombinuje holografski akustični uređaj sa genetskim inženjeringom koji im omogućava da precizno ciljaju zahvaćene neurone u mozgu, stvarajući potencijal za preciznu modulaciju odabranih tipova ćelija u više obolelih regiona mozga.
Hong Čen, vanredni profesor biomedicinskog inženjeringa na Školi inženjeringa McKelvei i neurohirurgije na Medicinskom fakultetu, i njen tim su kreirali AhSonogenetics, ili Airi-beam holografsku sonogenetiku, tehniku koja koristi neinvazivni nosivi ultrazvučni uređaj za izmenu genetski odabranih neurona u mozgovima miševa. Rezultati studije dokaza o konceptu objavljeni su u Zborniku radova Nacionalne akademije nauka 17. juna.
AhSonogenetics objedinjuje nekoliko nedavnih dostignuća Čenove grupe u jednu tehnologiju. Godine 2021., ona i njen tim pokrenuli su Sonogenetics, metodu koja koristi fokusirani ultrazvuk za isporuku virusnog konstrukta koji sadrži jonske kanale osetljive na ultrazvuk do genetski odabranih neurona u mozgu. Oni koriste fokusirani ultrazvuk niskog intenziteta da isporuče mali nalet toplote, koji otvara jonske kanale i aktivira neurone. Čenov tim je bio prvi koji je pokazao da sonogenetika može da moduliše ponašanje miševa koji se slobodno kreću.
Godine 2022. ona i članovi njene laboratorije dizajnirali su i 3D štampali fleksibilan i svestran alat poznat kao binarna akustična metapovršina sa omogućenim Airi snopom koja im je omogućila da manipulišu ultrazvučnim snopovima. Ona takođe razvija Sonogenetiku 2.0, koja kombinuje prednost ultrazvuka i genetskog inženjeringa za modulaciju definisanih neurona neinvazivno i precizno u mozgovima ljudi i životinja. AhSonogenetics ih spaja kao potencijalnu metodu za intervenciju u neurodegenerativnim bolestima.
„Omogućavajući preciznu i fleksibilnu neuromodulaciju specifičnu za ćelijski tip bez invazivnih procedura, AhSonogenetics pruža moćan alat za istraživanje neoštećenih neuronskih kola i nudi obećavajuće intervencije za neurološke poremećaje“, rekao je Čen.
Sonogenetika daje istraživačima način da precizno kontrolišu mozak, dok tehnologija vazdušnog snopa omogućava istraživačima da savijaju ili usmeravaju zvučne talase kako bi generisali proizvoljne obrasce zraka unutar mozga sa visokom prostornom rezolucijom. Iaoheng (Mack) Iang, postdoktorski istraživač saradnik koji je doktorirao biomedicinsko inženjerstvo na McKelvey Engineering-u 2022. godine, rekao je da tehnologija daje istraživačima tri jedinstvene prednosti.
„Vazdušni snop je tehnologija koja nam može dati precizno ciljanje manjeg regiona od konvencionalne tehnologije, fleksibilnost da se usmerimo ka ciljanim regionima mozga i da istovremeno ciljamo više regiona mozga“, rekao je Jang.
Čen i njen tim, uključujući prve autore Zhongtao Hu, bivšeg postdoktorskog istraživača, i Janga, dizajnirali su svaku metapovršinu Airi zraka pojedinačno kao osnovu za nosive ultrazvučne uređaje koji su bili prilagođeni za različite primene i za precizne lokacije u mozgu.
Čenov tim je testirao tehniku na mišjem modelu Parkinsonove bolesti. Sa AhSonogenetics-om, uspeli su da stimulišu dva regiona mozga istovremeno u jednom mišu, eliminišući potrebu za više implantata ili intervencija. Ova stimulacija je ublažila motorne deficite povezane sa Parkinsonovom bolešću u modelu miša, uključujući spore pokrete, poteškoće pri hodanju i smrzavanje.
Airi-beam uređaj tima prevazilazi neka od ograničenja sonogenetike, uključujući prilagođavanje dizajna uređaja tako da cilja specifične lokacije mozga, kao i uključivanje fleksibilnosti za prilagođavanje ciljnih lokacija u jednom mozgu.
Hu je rekao da se uređaj, čija izrada košta oko 50 dolara, može prilagoditi po veličini tako da odgovara različitim veličinama mozga, proširujući njegove potencijalne aplikacije.
„Ova tehnologija se može koristiti kao istraživačka platforma za ubrzavanje istraživanja neuronauke zbog sposobnosti da se fleksibilno cilja na različite regione mozga“, rekao je Hu. „Pristupačnost i lakoća proizvodnje smanjuju prepreke širokom usvajanju naših predloženih uređaja od strane istraživačke zajednice za aplikacije neuromodulacije.
