Наноневрология - Nanoneuroscience
Наноневрология - это междисциплинарная область, объединяющая нанотехнологии и нейробиологию . Одна из его основных целей - получить подробное представление о том, как работает нервная система и, таким образом, как нейроны организуются в головном мозге. Следовательно, создание лекарств и устройств, способных преодолевать гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), необходимо для получения подробной визуализации и диагностики. Гематоэнцефалический барьер функционирует как узкоспециализированная полупроницаемая мембрана, окружающая мозг, предотвращая попадание вредных молекул, которые могут растворяться в циркулирующей крови, в центральную нервную систему.
Двумя основными препятствиями на пути молекул, доставляющих лекарства, к мозгу, являются размер (должен иметь молекулярный вес <400 Да) и растворимость липидов. Врачи надеются обойти трудности доступа к центральной нервной системе с помощью вирусной генной терапии . Это часто включает прямую инъекцию в мозг пациента или спинномозговую жидкость. Недостатком этой терапии является то, что она является инвазивной и сопряжена с высоким фактором риска из-за необходимости хирургического вмешательства для назначения лечения. Из-за этого только 3,6% клинических испытаний в этой области дошли до стадии III с момента разработки концепции генной терапии в 1980-х годах.
Другой предлагаемый способ пересечения BBB - временное преднамеренное разрушение барьера. Этот метод впервые был вдохновлен некоторыми патологическими состояниями , которые были обнаружены , чтобы сломать этот барьер самих по себе, таким как болезнь Альцгеймера , болезнь Паркинсона , инсульт , и условие изъятия.
Наночастицы
Наночастицы отличаются от макромолекул, потому что их поверхностные свойства зависят от их размера, что позволяет ученым стратегически манипулировать этими свойствами (или «программировать»), что было бы невозможно в противном случае. Аналогичным образом, форма наночастиц также может быть изменена для получения другого набора характеристик на основе отношения площади поверхности к объему частицы.
Наночастицы обладают многообещающим терапевтическим действием при лечении нейродегенеративных заболеваний. Кислородно-реактивный полимер (ОВП) - это наноплатформа, запрограммированная на реакцию с кислородом, которая, как было показано, обнаруживает и снижает присутствие активных форм кислорода (АФК), образующихся сразу после черепно-мозговых травм. Наночастицы также использовались в качестве «нейрозащитной» меры, как в случае с моделями болезни Альцгеймера и инсульта . Болезнь Альцгеймера приводит к образованию токсичных агрегатов бета-амилоидного белка в головном мозге. В одном исследовании наночастицы золота были запрограммированы на прикрепление к этим агрегатам и успешно разрушили их. Аналогичным образом, в моделях ишемического инсульта клетки в пораженной области мозга подвергаются апоптозу, что резко снижает приток крови к важным частям мозга и часто приводит к смерти или серьезным психическим и физическим изменениям. Было показано, что наночастицы платины действуют как АФК, выступая в качестве «биологических антиоксидантов» и значительно снижая окисление в мозге в результате инсульта . Наночастицы также могут вызывать нейротоксичность и вызывать необратимое повреждение ГЭБ либо из-за отека мозга, либо из-за несвязанных молекул, пересекающих ГЭБ и вызывающих повреждение мозга. Это доказывает, что необходимы дальнейшие долгосрочные исследования in vivo , чтобы получить достаточное понимание, позволяющее проводить успешные клинические испытания.
Одной из наиболее распространенных платформ доставки лекарств на основе наночастиц является доставка на основе липосом . Они являются как липидорастворимыми, так и наноразмерными, и поэтому допускаются через полностью функционирующий ГЭБ. Кроме того, липиды сами по себе являются биологическими молекулами, что делает их очень биосовместимыми, что, в свою очередь, снижает риск токсичности клеток. Образовавшийся бислой позволяет молекуле полностью инкапсулировать любое лекарство, защищая его, пока оно движется по телу. Одним из недостатков защиты лекарственного средства от внешних клеток является то, что оно больше не обладает специфичностью и требует связывания с дополнительными антителами, чтобы иметь возможность воздействовать на биологический участок. Из-за их низкой стабильности наночастицы на основе липосом для доставки лекарств имеют короткий срок хранения.
Таргетная терапия с использованием магнитных наночастиц (МНЧ) также является популярной темой исследований и привела к нескольким клиническим испытаниям III стадии. Инвазивность здесь не проблема, потому что магнитная сила может быть приложена извне тела пациента, чтобы взаимодействовать и направлять МНЧ. Эта стратегия оказалась успешной в доставке нейротропного фактора мозга , естественного гена, который, как считается, способствует нейрореабилитации, через ГЭБ.
Инструменты наноизображения
Визуализация нейрональной активности имеет ключевое значение в нейробиологии. В этих областях помогают инструменты наноизображения с наноразмерным разрешением. Эти инструменты оптической визуализации PALM и STORM помогают визуализировать наноразмерные объекты внутри клеток. До сих пор эти инструменты визуализации выявили динамическое поведение и организацию актинового цитоскелета внутри клеток, что поможет понять, как нейроны исследуют свое участие во время разрастания нейронов и в ответ на повреждение, и как они дифференцируют аксональные процессы и характеристики кластеризации рецепторов. и стехиометрия в плазме внутри синапсов, которые имеют решающее значение для понимания того, как синапсы реагируют на изменения нейрональной активности. Эти прошлые работы были сосредоточены на устройствах для стимуляции или ингибирования нейронной активности, но решающим аспектом является способность устройства одновременно контролировать нервную активность. Главный аспект, который должен быть улучшен в инструментах наноизображения, - это эффективный сбор света, поскольку основная проблема заключается в том, что биологические ткани являются дисперсионной средой, которая не позволяет прямое распространение и управление светом. Эти устройства используют наноиглу и нанопроволоку для исследования и стимуляции.
Нанопроволоки
Нанопроволока - это искусственные «иглы» нано- или микроразмеров, которые могут обеспечить электрофизиологические записи с высокой точностью, если они используются в качестве микроскопических электродов для нейронных записей. Нанопроволоки привлекательны, поскольку они представляют собой высокофункциональные структуры, которые обладают уникальными электронными свойствами, на которые влияют биологические / химические частицы, адсорбированные на их поверхности; в основном проводимость. Это изменение проводимости в зависимости от присутствующих химических веществ позволяет улучшить чувствительность. Нанопроволоки также могут действовать как неинвазивные и локальные зонды. Такая универсальность нанопроволок делает их оптимальными для взаимодействия с нейронами из-за того, что длина контакта вдоль аксона (или выступ дендрита, пересекающий нанопроволоку) составляет всего около 20 нм.