Drobné častice, veľký vplyv alebo cesta k menej invazívnej mozgovej stimulácii

Život s poruchou mozgu často znamená spoliehať sa na lieky, ktoré nefungujú u každého, a v niektorých prípadoch na operáciu. Výskumníci financovaní EÚ teraz skúmajú, či by nanotechnológia mohla raz ponúknuť bezpečnejšiu a menej invazívnu alternatívu liečby.

Poruchy mozgu sú jednou z najväčších zdravotných výziev. Len v Európe trpia následkami mozgových porúch, ako sú Parkinsonova choroba, cievna mozgová príhoda, epilepsia, depresia, úzkosť a traumatické poranenia mozgu, 165 miliónov ľudí. Odhaduje sa, že jeden z troch ľudí bude v určitom okamihu svojho života trpieť neurologickou a/alebo duševnou poruchou. Náklady na európske rozpočty zdravotníctva sa odhadujú na 800 miliárd eur ročne, pričom sa očakáva, že sa ďalej zvýši s tým, ako populácia Európy starne a k poruchám mozgu sa stáva náchylnejšou.

Liečba vážnych mozgových porúch znamená po desaťročia napospol zložitý kompromis. Zmiernenie príznakov, ale zvyčajne za cenu invazívnej operácie a implantovaných elektród, ktoré zostávajú v tele po celý život. Tento prístup by sa podľa dát prezentovaných vo februárovom vydaní Horizon Magazine mohol do budúcnosti zmeniť. „Mať elektródy v tele nie je ideálne. Napriek tomu je to pre mnoho pacientov jediná možnosť,“ uviedla neurovedkyňa profesorka Mavi Sanchez-Vivesová, PhD, vedúca skupiny systémovej neurovedy vo výskumnom ústave IDIBAPS v Barcelone v Španielsku, ktorá vedie trojročnú výskumnú iniciatívu financovanú EÚ s názvom META-BRAIN, ktorá potrvá do decembra 2026.

Jej tím skúma nové spôsoby interakcie s mozgom kombináciou nanotechnológie, ultrazvuku a pokročilého monitorovania mozgu. Tím META-BRAIN, ktorý spája vedcov a klinických lekárov z popredných výskumných inštitúcií po celej Európe, vrátane Rakúska, Cypru, Talianska, Španielska a Švajčiarska, vyvíja bezdrôtové, minimálne invazívne spôsoby obnovenia mozgovej aktivity. Vedci používajú nanotechnológiu na vzdialenú interakciu s neurónmi – bez trvalých implantátov alebo otvorených operácií mozgu.

Neurologické poruchy sú jednou z najväčších zdravotných výziev našej doby a zároveň podľa údajov Svetovej zdravotníckej organizácie (WHO) jednou z hlavných príčin chorôb a postihnutí na celom svete. „Tieto poruchy sú založené na patológiách nervového systému a často sú spájané so zmenami v rytme mozgu a vzorkách aktivity,“ vysvetľuje profesorka Sanchez-Vivesová s tým, že dostupné liečby zostávajú obmedzené. Liekové terapie nefungujú u všetkých pacientov a môžu spôsobiť významné nežiaduce účinky. Chirurgické prístupy, ako je hlboká stimulácia mozgu, vyžadujú implantáciu elektród hlboko do mozgu, aby blokovali alebo regulovali chybné signály. „Niektorí pacienti žijú s týmito implantátmi desiatky rokov. Ale tento spôsob so sebou prináša aj riziká a komplikácie. Preto potrebujeme lepšie možnosti,“ zdôraznila.

Bezdrôtová interakcia s mozgom

Pri hľadaní nových ciest skúma výskumný tím META-BRAIN minimálne invazívne a presné spôsoby riadenia nervovej aktivity na diaľku. Hlavným cieľom je objaviť nové formy bezdrôtovej interakcie s mozgom a dosiahnuť vysoko presnú kontrolu pomocou nanotechnológie ako rozhrania. Hoci neinvazívne metódy stimulácie mozgu už existujú, majú dôležité obmedzenia. Niektoré nemajú schopnosť presne zacieliť na konkrétne oblasti mozgu, zatiaľ čo iné nemôžu dosiahnuť do hlbších štruktúr. Preto je potrebné vyvinúť prístupy, ktoré sú zároveň neinvazívne a schopné zacieliť na akúkoľvek časť mozgu.

K tomu výskumníci skúmajú dva odlišné, ale vzájomne sa doplňujúce spôsoby. Prvý spočíva v používaní starostlivo zameraných ultrazvukových vĺn na stimuláciu mozgu zvonku. Druhý spolieha na nanočastice, označované ako magnetoelektrické nanočastice, ktoré možno viesť a aktivovať pomocou magnetických polí.

Práve magnetoelektrické nanočastice sa podľa Dr. Marty Parazziniovej, PhD, riaditeľky výskumu na Inštitúte elektroniky, informačného inžinierstva a telekomunikácií Národnej výskumnej rady Talianska (CNR) v Miláne, ukázali byť obzvlášť sľubnou cestou. Ako vysvetlila, magnetoelektrické nanočastice – mnohonásobne menšie ako priemer ľudského vlasu – prevádzajú magnetické signály na elektrické, rovnaké signály, aké používajú neuróny na komunikáciu. Keď sú vystavené vonkajšiemu magnetickému poľu, vytvárajú lokálne elektrické pole, ktoré funguje ako bezdrôtové elektródy. „Možno ich injekčne aplikovať bez operácie a ovládať na diaľku pomocou magnetických polí. Pretože sú také malé, ich aplikácia môže byť extrémne presná,“ vysvetlila doktorka Parazziniová.

Laboratórne experimenty už ukázali, že tieto nanočastice je možné aktivovať kontrolovaným spôsobom pomocou vonkajších magnetických polí. Kľúčové je, že sú schopné stimulovať aj inhibovať nervovú aktivitu. „To nám dáva mnoho terapeutických možností. Umožňuje nám to jemne ladiť mozgovú stimuláciu namiesto toho, aby sme len zapínali alebo vypínali neuróny,“ dodáva vedkyňa.

Liečba mozgu bez operácie

Výskumníci predstavujú aplikácie, ktoré by mohli zásadne zmeniť spôsob, akým liečba neurologických poranení a porúch prebieha. Napríklad po vážnej nehode môže byť pacient s traumatickým poranením mozgu prevezený do nemocnice a podstúpiť podrobné zobrazovanie mozgu. Na základe tohto skenu by mohli klinici injektovať magnetoelektrické nanočastice priamo do postihnutých oblastí v množstve prispôsobenom konkrétnemu pacientovi. Tieto rozhodnutia by podľa doktorky Parazzíniovej mohli byť riadené personalizovanými výpočtovými modelmi mozgu.

Akonáhle sú na mieste, nanočastice môžu byť aktivované zvonku, napríklad pomocou zariadenia podobného helme, ktoré obnoví zdravé vzorce aktivity a nasmeruje poškodené tkanivo späť k normálnej fyziologickej funkcii. „Cieľom je zasiahnuť okamžite bez toho, aby sme otvorili lebku alebo implantovali hardvér. Zranenia by sme mohli okamžite ošetriť a možno sa aj vyhnúť operácii. Táto metóda by bola oveľa bezpečnejšia, rýchlejšia a menej invazívna. To je ten sen,“ hovorí doktorka Parazziniová.

Doteraz tím META-BRAIN vykonal rozsiahle experimenty v mozgovom tkanive a teraz sa zameriava na in vivo štúdie na hlodavcoch. Ľudské testy nebudú prebiehať v rámci projektu, hoci výskumníci plánujú vykonávať výpočtové simulácie s ľudským mozgovým fantómom, veľmi detailným 3D-modelom mozgu.

Ak bude táto technológia úspešná, mohla by nakoniec viesť k účinnejším liečbám širokej škály neurologických a neuropsychiatrických ochorení. Pacienti s Parkinsonovou chorobou by mohli získať plynulejší pohyb, pacienti s epilepsiou by mohli dosiahnuť lepšiu kontrolu záchvatov a ľudia s komplexnými psychiatrickými poruchami by mohli ťažiť z cielenejšej terapie.

Okrem liečby môže táto technológia tiež pomôcť obnoviť alebo kompenzovať stratené zmysly. V prípadoch, keď sú senzorické dráhy poškodené, by magnetoelektrické rozhrania mohli raz pomôcť nahradiť alebo obísť prerušené spojenia – a potenciálne ponúknuť nové možnosti pre určité formy slepoty alebo iné straty zmyslových vnemov.

Napriek sľubom sa výskumníci snažia zdôrazniť, že práca je stále v ranej fáze. „Bude to dlhý proces, kým sa táto technológia dostane k pacientom. Najprv musíme dôkladne pochopiť, ako sa tieto častice v mozgu správajú a ako ich bezpečne a efektívne ovládať,“ povedala profesorka Sanchez-Vivesová s tým, že napriek tomu je potenciál nepopierateľný. „Je fascinujúce vidieť, že také malé častice môžu mať taký veľký dopad na neuróny. Skúmame úplne nové územie – ale také, ktoré by mohlo nakoniec zmeniť spôsob, akým liečime poruchy mozgu,“ zhrnula.