Os cientistas fazem a descoberta fundamental de um método para modulação sem fio de neurônios com raios-X que pode melhorar a vida de pacientes com distúrbios cerebrais. A fonte de raios-X requer apenas uma máquina como a encontrada em um consultório dentário.

Muitas pessoas em todo o mundo sofrem de distúrbios cerebrais relacionados ao movimento. A epilepsia é responsável por mais de 50 milhões; tremor essencial, 40 milhões; e doença de Parkinson, 10 milhões.

O alívio para alguns portadores de distúrbios cerebrais pode um dia estar a caminho na forma de um novo tratamento inventado por pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e quatro universidades. O tratamento é baseado em avanços tanto na ótica quanto na genética. Seria aplicável não apenas a distúrbios cerebrais relacionados ao movimento, mas também depressão e dor crônicas.

Este novo tratamento envolve a estimulação de neurônios nas profundezas do cérebro por meio de nanopartículas injetadas que se iluminam quando expostas aos raios X (nanoscintiladores) e eliminariam uma cirurgia invasiva do cérebro atualmente em uso.

"Nossa abordagem não invasiva de alta precisão pode se tornar rotina com o uso de uma pequena máquina de raio-X, o tipo comumente encontrado em todos os consultórios odontológicos, "disse Elena Rozhkova, um autor principal e um nanocientista no Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) de Argonne, um DOE Office of Science User Facility.

A estimulação cerebral profunda tradicional requer um procedimento neurocirúrgico invasivo para distúrbios quando a terapia medicamentosa convencional não é uma opção. No procedimento tradicional, aprovado pela Food and Drug Administration dos EUA, cirurgiões implantam um gerador de pulso calibrado sob a pele (semelhante a um marca-passo). Eles então o conectam com um cabo de extensão isolado a eletrodos inseridos em uma área específica do cérebro para estimular os neurônios ao redor e regular os impulsos anormais.

"O cientista hispano-americano José Manuel Rodríguez Delgado demonstrou a famosa estimulação cerebral profunda em uma praça de touros na década de 1960, "disse Vassiliy Tsytsarev, neurobiologista da Universidade de Maryland e co-autor do estudo. "Ele paralisou um touro furioso enviando um sinal de rádio para um eletrodo implantado."

Cerca de 15 anos atrás, cientistas introduziram uma tecnologia revolucionária de neuromodulação, "optogenética, ", que depende da modificação genética de neurônios específicos do cérebro. Esses neurônios criam um canal iônico sensível à luz no cérebro e, deste modo, fogo em resposta à luz laser externa. Esta abordagem, Contudo, requer fios de fibra ótica muito finos implantados no cérebro e sofre com a profundidade de penetração limitada da luz do laser através dos tecidos biológicos.

A abordagem optogenética alternativa da equipe usa nanocintiladores injetados no cérebro, contornando eletrodos implantáveis ​​ou fios de fibra ótica. Em vez de lasers, eles substituem os raios X por causa de sua maior capacidade de atravessar as barreiras do tecido biológico.

"As nanopartículas injetadas absorvem a energia dos raios X e a convertem em luz vermelha, que tem profundidade de penetração significativamente maior do que a luz azul, "disse Zhaowei Chen, ex-bolsista de pós-doutorado da CNM.

"Assim, as nanopartículas servem como uma fonte de luz interna que faz nosso método funcionar sem um fio ou eletrodo, "acrescentou Rozhkova. Como a abordagem da equipe pode estimular e reprimir pequenas áreas específicas, Rozhkova observou, ele tem outras aplicações além de distúrbios cerebrais. Por exemplo, pode ser aplicável a problemas cardíacos e outros músculos danificados.

Uma das chaves do sucesso da equipe foi a colaboração entre duas das instalações de classe mundial em Argonne:CNM e a Fonte Avançada de Fótons (APS) da Argonne, um DOE Office of Science User Facility. O trabalho nessas instalações começou com a síntese e caracterização multiferramenta dos nanocintiladores. Em particular, a luminescência óptica excitada por raios-X das amostras de nanopartículas foi determinada em uma linha de luz APS (20-BM). Os resultados mostraram que as partículas eram extremamente estáveis ​​ao longo de meses e após exposição repetida aos raios-X de alta intensidade.

De acordo com Zou Finfrock, um cientista da equipe da linha de luz APS 20-BM e da fonte de luz canadense, "Eles continuaram brilhando uma linda luz laranja-vermelha."

Próximo, Argonne enviou nanoscintiladores preparados com CNM para a Universidade de Maryland para testes em ratos. A equipe da Universidade de Maryland realizou esses testes durante dois meses com uma pequena máquina portátil de raios-X. Os resultados comprovaram que o procedimento funcionou conforme o planejado. Camundongos cujos cérebros foram geneticamente modificados para reagir à luz vermelha responderam aos pulsos de raios-X com ondas cerebrais registradas em um eletroencefalograma.

Finalmente, a equipe da Universidade de Maryland enviou os cérebros dos animais para caracterização usando microscopia de fluorescência de raios-X realizada por cientistas de Argonne. Esta análise foi realizada por Olga Antipova na linha de luz Microprobe (2-ID-E) no APS e por Zhonghou Cai no Hard X-ray Nanoprobe (26-ID) operado em conjunto pela CNM e APS.

Esse arranjo de múltiplos instrumentos tornou possível ver minúsculas partículas residindo no complexo ambiente do tecido cerebral com uma super-resolução de dezenas de nanômetros. Também permitiu a visualização de neurônios próximos e distantes do local da injeção em microescala. Os resultados provaram que os nanoscintiladores são química e biologicamente estáveis. Eles não se afastam do local da injeção nem se degradam.

"A preparação da amostra é extremamente importante nesses tipos de análises biológicas, "disse Antipova, um físico da Divisão de Ciência de Raios-X (XSD) da APS. Antipova foi auxiliado por Qiaoling Jin e Xueli Liu, que preparou seções cerebrais com apenas alguns micrômetros de espessura com uma precisão de joalheiro.

“Há um intenso interesse comercial em optogenética para aplicações médicas, "disse Rozhkova." Embora ainda esteja no estágio de prova de conceito, prevemos que nossa abordagem sem fio com patente pendente com pequenas máquinas de raio-X deve ter um futuro brilhante. "

O artigo relacionado "Modulação optogenética sem fio de neurônios corticais ativada por nanopartículas radioluminescentes" apareceu em ACS Nano .