Technologia neuromodulacji przełomem w leczeniu padaczki
Padaczka to choroba należąca do poważnych zaburzeń czynności mózgu, która dotyka ponad 50 milionów ludzi na całym świecie. Charakterystycznym objawem są nawracające napady padaczkowe, przyjmujące postać wyładowań elektrycznych przypominających „burzę” nieprawidłowo aktywowanych komórek nerwowych, które powodują wiele szkód, negatywnie wpływając na jakość życia pacjentów. W 30–40 % przypadków padaczki środki farmaceutyczne niestety nie działają, co wymaga użycia alternatywnych metod o minimalnych skutkach ubocznych. Na przestrzeni lat pojawiły się najróżniejsze rozwiązania, których działanie polega na dostarczaniu do mózgu prądu elektrycznego o niewielkim natężeniu lub wpływaniu na komórki nerwowe za pomocą fal świetlnych, magnetycznych lub ultradźwiękowych. Technologie te przypominają swoją koncepcją stymulatory mózgu wykorzystywane w leczeniu chorób mózgu. Mimo że nie wymagają one ogólnoustrojowego podawania leków, wiążą się z inwazyjnymi interwencjami i modyfikacjami genetycznymi, których długoterminowe skutki nie są znane.
Przełomowa metoda regulacji stężenia jonów w neuronach
Zespół naukowców skupionych wokół finansowanego przez Unię Europejską projektu IN-FET postawił sobie za cel dokonanie przełomu w leczeniu padaczki dzięki ukierunkowaniu terapii na podstawowy mechanizm aktywności elektrycznej mózgu, jakim są jony. Otóż u podstaw każdej aktywności zachodzącej w mózgu leży przepływ jonów przez błony komórek nerwowych, który odpowiada za aktywację neuronów, transmisję synaptyczną i komunikację między neuronami. Przedmiotem badań w projekcie IN-FET było zbadanie możliwości wizjonerskiej koncepcji neuromodulacji za pośrednictwem wzbudzenia jonów na poziomie komórki. „Koncepcja ta zakłada regulowanie nieprawidłowej aktywności elektrycznej w komórkach nerwowych poprzez zmianę miejscowego stężenia podstawowych jonów, takich jak potas czy wapń, niezbędnych dla aktywności neuronów”, wyjaśnia koordynator projektu Michele Giugliano. Konsorcjum projektu opracowało urządzenie, które za pomocą specjalnych materiałów i maleńkich czujników umożliwia kontrolowanie i monitorowanie aktywności komórek nerwowych w mózgu. Urządzenie składa się z aktywowanych elektrycznie polimerów, które mogą przenosić określone jony, a następnie uwalniać je w środowisku pozakomórkowym wokół neuronów, aby zmienić sposób ich zachowania po otrzymaniu sygnału elektrycznego. Polimery te są zintegrowane z ultraczułymi tranzystorami nanodrutowymi zdolnymi do wykrywania aktywności elektrycznej pojedynczych komórek nerwowych. Tranzystory są w stanie przeniknąć przez błony i wykrywać aktywność elektryczną komórek z niespotykaną dotąd rozdzielczością przestrzenną i czasową. Najważniejszym przełomem technologicznym w koncepcji IN-FET jest fakt, że urządzenie to może na bieżąco dostosowywać się za pomocą mechanizmu regulacji opartego na zamkniętej pętli. Dzięki temu w przypadku, gdy czujniki wykryją zbyt dużą aktywność – na przykład podczas napadu padaczkowego – urządzenie może uwolnić jony mające za zadanie uspokojenie aktywności komórek. Z kolei gdy wykryta zostanie zbyt mała aktywność, urządzenie może wychwycić jony, aby pomóc komórkom w zwiększeniu aktywności. W ten sposób możliwa jest regulacja aktywności komórek nerwowych w precyzyjny i kontrolowany sposób bez konieczności stosowania leków ani inwazyjnych zabiegów chirurgicznych.
Walidacja i możliwości zastosowania
Chociaż konieczne są dalsze prace nad oceną kompatybilności systemu IN-FET, jaka jest wymagana w przypadku inwazyjnych zabiegów wszczepiania implantów u ludzi, konsorcjum przeprowadziło pomyślnie zakończone badania in vitro, które wykazały zdolność urządzenia do modulowania pozakomórkowego stężenia jonów potasu w sieciach neuronowych. Zespół projektu rozważa nawiązanie międzynarodowej współpracy w celu optymalizacji działania systemu na potrzeby przeprowadzenia w najbliższej przyszłości badań na zwierzętach. Jak podkreśla Giugliano: „Zastosowanie koncepcji wzbudzenia jonowego nie ogranicza się wyłącznie do leczenia padaczki. Każda terapia ukierunkowana na zaburzenie pobudliwości lub chorobę neurologiczną, w ramach której stosuje się stymulację elektryczną i stymulatory mózgu, może z powodzeniem wykorzystać naszą technologię”. Ponadto system IN-FET może zostać wykorzystany w rozwiązaniach służących do głębokiej stymulacji mózgu o wysokiej częstotliwości, takich jak te stosowane w leczeniu choroby Parkinsona. Co więcej, może być niezwykle użyteczny w dziedzinie neuroprotetyki do opracowywania bardziej wydajnych interfejsów mózg-maszyna w implantach zastępujących elementy ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego. Co nie mniej ważne, konsorcjum rozważa nowe kierunki komercjalizacji obecnej technologii IN-FET, ponieważ systemy te mogą się okazać bardzo przydatne w przypadku wysokoprzepustowych platform przeznaczonych do badań przesiewowych i opracowywania leków.
Słowa kluczowe
IN-FET, jony, padaczka, mózg, napad padaczkowy, neuromodulacja, aktywność elektryczna, tranzystory, aktywowane elektrycznie polimery
