Нанонейронаука
Нанонейронаука — это междисциплинарная область, объединяющая нанотехнологии и нейробиологию . [1] Одна из его основных целей — получить детальное понимание того, как работает нервная система и, следовательно, как нейроны организуются в мозге. Следовательно, создание лекарств и устройств, способных преодолевать гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), имеет важное значение для проведения детальной 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 для доступа молекул, доставляющих лекарство, в мозг являются размер (молекулярная масса должна быть <400 Да) и растворимость в липидах. [2] 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 инвазивна и несет в себе высокий фактор риска из-за необходимости хирургического вмешательства для проведения лечения. Из-за этого только 3,6% клинических исследований в этой области дошли до стадии III с момента разработки концепции генной терапии в 1980-х годах. [3]
Другой предлагаемый способ пересечь BBB — временное намеренное разрушение барьера. Этот метод был впервые вдохновлен некоторыми патологическими состояниями, которые, как было обнаружено, сами по себе разрушают этот барьер, такими как болезнь Альцгеймера , болезнь Паркинсона , инсульт и судороги. [2]
Наночастицы
[ редактировать ]Наночастицы уникальны среди макромолекул, поскольку свойства их поверхности зависят от их размера, что позволяет ученым стратегически манипулировать этими свойствами (или «программировать»), что в противном случае было бы невозможно. Аналогично, форму наночастиц также можно варьировать, чтобы получить другой набор характеристик в зависимости от соотношения площади поверхности к объему частицы. [4]
Наночастицы обладают многообещающим терапевтическим эффектом при лечении нейродегенеративных заболеваний. Кислород-реактивный полимер (ОРП) представляет собой наноплатформу, запрограммированную на реакцию с кислородом, которая, как было показано, обнаруживает и уменьшает присутствие активных форм кислорода (АФК), образующихся сразу после черепно-мозговых травм. [5] Наночастицы также использовались в качестве «нейрозащитной» меры, как в случае с болезнью Альцгеймера и моделями инсульта . Болезнь Альцгеймера приводит к образованию в мозге токсичных агрегатов бета-амилоидного белка. В одном исследовании наночастицы золота были запрограммированы прикрепляться к этим агрегатам и успешно их разрушали. [6] Аналогичным образом, в моделях ишемического инсульта клетки 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. [6] Было показано, что наночастицы платины действуют как АФК, выступая в качестве «биологических антиоксидантов» и значительно снижая окисление в мозге в результате инсульта . [6] Наночастицы также могут привести к нейротоксичности и вызвать необратимое повреждение ГЭБ либо из-за отека мозга, либо из-за того, что несвязанные молекулы пересекают ГЭБ и вызывают повреждение головного мозга. [5] Это доказывает, что необходимы дальнейшие долгосрочные исследования in vivo, чтобы получить достаточное понимание и провести успешные клинические испытания.
Одной из наиболее распространенных платформ доставки лекарств на основе нанотехнологий является доставка на основе липосом . Они являются как жирорастворимыми, так и наноразмерными и, таким образом, 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 клеточной токсичности. Образующийся бислой позволяет молекуле полностью инкапсулировать любое лекарство, защищая его во время прохождения через организм. Одним из недостатков защиты препарата от внешних клеток является то, что оно больше не обладает специфичностью и требует соединения с дополнительными антителами, чтобы иметь возможность воздействовать на биологический участок. Из-за низкой стабильности наночастицы на основе липосом для доставки лекарств имеют короткий срок хранения. [4]
Таргетная терапия с использованием магнитных наночастиц (МНЧ) также является популярной темой исследований и привела к проведению нескольких клинических испытаний III стадии. [7] Инвазивность здесь не является проблемой, поскольку магнитная сила может быть приложена снаружи тела пациента для взаимодействия и направления МНЧ. Эта стратегия оказалась успешной в доставке нейротропного фактора головного мозга , естественного гена, который, как считается, способствует нейрореабилитации, через ГЭБ. [5]
Инструменты наноизображения
[ редактировать ]Визуализация активности нейронов имеет ключевое значение в нейробиологии. В этих областях помогают инструменты наноизображений с наноразмерным разрешением. Эти инструменты оптической визуализации PALM [8] и ШТОРМ [9] который помогает визуализировать наноразмерные объекты внутри клеток. На данный момент эти инструменты визуализации выявили динамическое поведение и организацию актинового цитоскелета внутри клеток, что поможет понять, как нейроны исследуют свое участие во время роста нейронов и в ответ на повреждение, а также как они дифференцируют аксональные процессы и характеризуют кластеризацию рецепторов. и стехиометрия плазмы внутри синапсов, которые имеют решающее значение для понимания того, как синапсы реагируют на изменения активности нейронов. [1] Эти прошлые работы были сосредоточены на устройствах для стимуляции или ингибирования нейронной активности, но решающим аспектом является способность устройства одновременно контролировать нервную активность. Основным аспектом, который необходимо улучшить в инструментах наноизображения, является эффективный сбор света, поскольку основная проблема заключается в том, что биологические ткани представляют собой дисперсионную среду, которая не позволяет напрямую распространять свет и контролировать его. В этих устройствах для зондирования и стимуляции используются наноиглы и нанопроволоки . [8]
Нанопровода
[ редактировать ]Нанопроволоки представляют собой искусственные «иглы» нано- или микроразмера, которые могут обеспечивать высокоточные электрофизиологические записи, если их использовать в качестве микроскопических электродов для записи нейронов. Нанопроволоки привлекательны, поскольку представляют собой высокофункциональные структуры, обладающие уникальными электронными свойствами, на которые влияют биологические/химические вещества, адсорбированные на их поверхности; в основном проводимость. [10] [11] Такое изменение проводимости в зависимости от присутствующих химических веществ позволяет повысить эффективность измерений. [12] Нанопроволоки также могут действовать как неинвазивные и высоколокальные зонды. Такая универсальность нанопроволок делает их оптимальными для взаимодействия с нейронами благодаря тому, что длина контакта вдоль аксона (или проекции дендрита, пересекающей нанопроволоки) составляет всего около 20 нм. [13]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Пампалони, Никколо Паоло (2019). «Достижения в области нанонейронауки: от наноматериалов к наноинструментам» . Границы в неврологии . 12 : 953. дои : 10.3389/fnins.2018.00953 . ПМК 6341218 . ПМИД 30697140 .
- ^ Jump up to: а б Донг Икс (2018). «Современные стратегии доставки лекарств» . Тераностика . 8 Приложение 1 (6): 1481–1493. дои : 10.7150/thno.21254 . ПМЦ 5858162 . ПМИД 29556336 .
- ^ Грей Джей (2015). «Вирусные векторы и стратегии доставки для генной терапии ЦНС» . Тер Делив . 10 Приложение 1 (4): 517–534. дои : 10.4155/tde.10.50 . ПМК 4509525 . ПМИД 22833965 .
- ^ Jump up to: а б Лэндри, Маркита. CBE 182 «Нанонаука и инженерная биотехнология» (осень 2018 г. (PDF) (Выступление). Лекция . Получено 30 апреля 2020 г. .
- ^ Jump up to: а б с Кумар А (2017). «Нанотехнологии в нейронауке: перспективные подходы к диагностике, терапии и картированию мозговой активности» . Adv Funct Mater . 27 Приложение 1 (39): 1700489. doi : 10.1002/adfm.201700489 . ПМК 6404766 . ПМИД 30853878 .
- ^ Jump up to: а б с Панайоту Ставрос; Саха Сикха (2015). «Терапевтические преимущества наночастиц при инсульте» . Границы в неврологии . 9 : 182. дои : 10.3389/fnins.2015.00182 . ПМК 4436818 . ПМИД 26041986 .
- ^ Пейдж П. (2018). «Магнитная доставка лекарств: куда движется поле» . Границы в неврологии . 6 Приложение 1: 619. Бибкод : 2018FrCh....6..619P . дои : 10.3389/fchem.2018.00619 . ПМК 6297194 . ПМИД 30619827 .
- ^ Jump up to: а б Пизанелло, Ф. (2016). «Микро- и нанотехнологии для оптических нейронных интерфейсов» . Границы в неврологии . 10:70 . дои : 10.3389/fnins.2016.00070 . ПМЦ 4781845 . ПМИД 27013939 .
- ^ Аливисатос, AP (2013). «Наноинструменты для нейробиологии и картирования активности мозга» . АСУ Нано . 7 (3): 1850–1866. дои : 10.1021/nn4012847 . hdl : 1721.1/79786 . ПМЦ 3665747 . ПМИД 23514423 .
- ^ Виду, Рахман (2014). «Наноструктуры: платформа для восстановления и увеличения мозга» . Границы системной нейронауки . 8 : 91. дои : 10.3389/fnsys.2014.00091 . ПМК 4064704 . ПМИД 24999319 .
- ^ Ву, Ю. (2004). «Контролируемый рост и структуры кремниевых нанопроволок молекулярного масштаба». Нано Летт . 4 (3): 433–436. Бибкод : 2004NanoL...4..433W . дои : 10.1021/nl035162i .
- ^ Ахмад, Рафик; Махмуди, Тахмина; Ан, Мин-Санг; Хан, Юн-Бон (2018). «Последние достижения в области полевых транзисторов на основе нанопроводов для применения в биологических сенсорах» . Биосенсоры и биоэлектроника . 100 : 312–325. дои : 10.1016/j.bios.2017.09.024 . ПМЦ 7126762 . ПМИД 28942344 .
- ^ Виду, Рахман (2014). «Наноструктуры: платформа для восстановления и увеличения мозга» . Границы системной нейронауки . 8 . дои : 10.3389/fnsys.2014.00091 . ПМК 4064704 . ПМИД 24999319 .