Los científicos hacen un descubrimiento fundamental de un método para la modulación inalámbrica de neuronas con rayos X que podría mejorar la vida de los pacientes con trastornos cerebrales. La fuente de rayos X solo requiere una máquina como la que se encuentra en el consultorio de un dentista.

Muchas personas en todo el mundo padecen trastornos cerebrales relacionados con el movimiento. La epilepsia representa más de 50 millones; temblor esencial, 40 millones; y la enfermedad de Parkinson, 10 millones.

El alivio para algunas personas que padecen trastornos cerebrales puede que algún día esté en camino en la forma de un nuevo tratamiento inventado por investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y cuatro universidades. El tratamiento se basa en avances tanto en óptica como en genética. Sería aplicable no solo a los trastornos cerebrales relacionados con el movimiento, pero también depresión y dolor crónicos.

Este nuevo tratamiento implica la estimulación de neuronas en lo profundo del cerebro mediante nanopartículas inyectadas que se iluminan cuando se exponen a los rayos X (nanocintiladores) y eliminarían una cirugía cerebral invasiva actualmente en uso.

"Nuestro enfoque no invasivo de alta precisión podría convertirse en una rutina con el uso de una pequeña máquina de rayos X, del tipo que se encuentra comúnmente en cada consultorio dental, "dijo Elena Rozhkova, autor principal y nanocientífico del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne (CNM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

La estimulación cerebral profunda tradicional requiere un procedimiento neuroquirúrgico invasivo para los trastornos cuando la terapia con medicamentos convencionales no es una opción. En el procedimiento tradicional, aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU., Los cirujanos implantan un generador de impulsos calibrado debajo de la piel (similar a un marcapasos). Luego lo conectan con un cable de extensión aislado a electrodos insertados en un área específica del cerebro para estimular las neuronas circundantes y regular los impulsos anormales.

"El científico hispanoamericano José Manuel Rodríguez Delgado demostró la famosa estimulación cerebral profunda en una plaza de toros en la década de 1960, "dijo Vassiliy Tsytsarev, neurobiólogo de la Universidad de Maryland y coautor del estudio. "Detuvo a un toro furioso que cargaba contra él enviando una señal de radio a un electrodo implantado".

Hace unos 15 años, los científicos introdujeron una tecnología revolucionaria de neuromodulación, "optogenética, "que se basa en la modificación genética de neuronas específicas en el cerebro. Estas neuronas crean un canal iónico sensible a la luz en el cerebro y, de este modo, fuego en respuesta a la luz láser externa. Este enfoque, sin embargo, requiere cables de fibra óptica muy delgados implantados en el cerebro y adolece de la profundidad de penetración limitada de la luz láser a través de los tejidos biológicos.

El enfoque optogenético alternativo del equipo utiliza nanocintiladores inyectados en el cerebro, evitando electrodos implantables o cables de fibra óptica. En lugar de láseres, sustituyen a los rayos X debido a su mayor capacidad para atravesar las barreras biológicas de los tejidos.

"Las nanopartículas inyectadas absorben la energía de los rayos X y la convierten en luz roja, que tiene una profundidad de penetración significativamente mayor que la luz azul, "dijo Zhaowei Chen, ex becario postdoctoral del CNM.

"Por lo tanto, las nanopartículas sirven como una fuente de luz interna que hace que nuestro método funcione sin cables ni electrodos, ", agregó Rozhkova. Dado que el enfoque del equipo puede estimular y sofocar áreas pequeñas específicas, Rozhkova señaló, tiene otras aplicaciones además de los trastornos cerebrales. Por ejemplo, podría ser aplicable a problemas cardíacos y otros músculos dañados.

Una de las claves del éxito del equipo fue la colaboración entre dos de las instalaciones de clase mundial en Argonne:CNM y Advanced Photon Source (APS) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. El trabajo en estas instalaciones se inició con la síntesis y caracterización multiherramienta de los nanocintiladores. En particular, la luminiscencia óptica excitada por rayos X de las muestras de nanopartículas se determinó en una línea de luz APS (20-BM). Los resultados mostraron que las partículas eran extremadamente estables durante meses y tras la exposición repetida a los rayos X de alta intensidad.

Según Zou Finfrock, un científico de planta en la línea de luz APS 20-BM y Canadian Light Source, "Seguían brillando con una hermosa luz de color rojo anaranjado".

Próximo, Argonne envió nanocintiladores preparados por CNM a la Universidad de Maryland para realizar pruebas en ratones. El equipo de la Universidad de Maryland realizó estas pruebas durante dos meses con una pequeña máquina de rayos X portátil. Los resultados demostraron que el procedimiento funcionó según lo planeado. Los ratones cuyos cerebros habían sido modificados genéticamente para reaccionar a la luz roja respondieron a los pulsos de rayos X con ondas cerebrales registradas en un electroencefalograma.

Finalmente, el equipo de la Universidad de Maryland envió los cerebros de los animales para su caracterización utilizando microscopía de fluorescencia de rayos X realizada por científicos de Argonne. Este análisis fue realizado por Olga Antipova en la línea de luz Microprobe (2-ID-E) en APS y por Zhonghou Cai en la Nanoprobe de rayos X dura (26-ID) operada conjuntamente por CNM y APS.

Esta disposición de múltiples instrumentos hizo posible ver pequeñas partículas que residen en el complejo entorno del tejido cerebral con una superresolución de docenas de nanómetros. También permitió visualizar neuronas cercanas y lejanas del sitio de inyección a microescala. Los resultados demostraron que los nanocintiladores son química y biológicamente estables. No se desvían del lugar de la inyección ni se degradan.

"La preparación de muestras es extremadamente importante en este tipo de análisis biológicos, "dijo Antipova, físico de la División de Ciencias de Rayos X (XSD) de la APS. Antipova fue asistido por Qiaoling Jin y Xueli Liu, que preparó secciones del cerebro de solo unos pocos micrómetros de espesor con precisión de joyero.

"Existe un intenso interés comercial en la optogenética para aplicaciones médicas, ", dijo Rozhkova." Aunque todavía está en la etapa de prueba de concepto, predecimos que nuestro enfoque inalámbrico pendiente de patente con pequeñas máquinas de rayos X debería tener un futuro brillante ".

El artículo relacionado "Modulación optogenética inalámbrica de neuronas corticales habilitada por nanopartículas radioluminiscentes" apareció en ACS Nano .