Immár másfél évtizede ismert, hogy koncentrált hőhatással az idegsejtek működése befolyásolható, azonban a pontos hatásmechanizmust mindmáig nem tárták fel. Fekete Zoltán és kutatócsoportja olyan mikroelektródát fejlesztett ki, mellyel sejtszinten mérhetők az infravörös besugárzás hatásai. Ez közelebb vihet a hőhatásra lezajló biofizikai folyamatok megismeréséhez, és később valamely neurodegeneratív betegségmodellben (pl. epilepszia, Parkinson-kór) is vizsgálhatják a módszer alkalmazhatóságát.
Az infravörös neuromoduláció egy közel másfél évtizede kutatott tématerület, mely számos kísérleti eredmény bemutatásával folyamatosan megerősíti a hőmérséklet, mint állapotváltozó fontosságát az idegsejtek működésében. Számos tanulmány ismertette miként lehetséges sejtkultúrákban, és perifériás idegi preparátumokban az ingerületvezetést serkenteni, illetve blokkolni infravörös besugárzással. Az eddigi tanulmányok a neurodegeneratív betegségek terápiájában történő alkalmazását jósolják, azonban ezt még szükségszerűen olyan vizsgálatok kell megelőzzék, melyek a stimulációs hatás mechanizmusának biofizikai hátterét is pontosan feltárják. Ennek elősegítését tűzte ki célul a Nemzeti Agykutatási Program támogatásával Fekete Zoltán kutatócsoportja.
Mi is az infravörös neuromoduláció?
Az infravörös neuromoduláció jelenségét elsőként a Vanderbilt Egyetem egyik kutatócsoportja demonstrálta 2005-ben. Nagy energiájú, szub-milliszekundumos lézerimpulzusok sorozatával viszonylag nagy térbeli és időbeli hőmérséklet gradienst idéztek elő egy sejtnyúlvány közvetlen környezetében, mellyel jól tudták az ingerület keletkezését befolyásolni. Az eljárás előnye más neuromodulációs technikákkal (pl. elektromos mélyagyi stimulációval vagy optogenetikával) szemben, hogy hatáskeresztmetszete térben jól definiált, a stimulálandó sejtpopuláció genetikai érzékenyítése nem szükséges, továbbá az alkalmazott lézernyaláb energiáját egy jól meghatározott küszöb alatt tartva az eljárás a szövet károsodása nélkül tetszőlegesen ismételhető.
A stimuláció során a víznek, mint kromofórnak, igen fontos szerepe van, ezért a megvilágító fényforrás hullámhosszát jellemzően a víz elnyelési spektrumában található csúcsokat célozva választják meg (pl. 1450 nm, 1875 nm, 2100 nm). A kezdeti megfigyelések alapján a gyors hőmérséklet-változással a sejt akciós potenciáljának keletkezését lehet elősegíteni, míg a háttérhőmérséklet lassú változásával – legalábbis a korábbi tanulmányok szerint – az ingerület blokkolható. Előbbit infravörös stimulációnak, utóbbit infravörös inhibíciónak (gátlásnak) hívja az irodalom. Az eddigi kísérletek viszonylag nagy teljesítményű (0,3–6 W) jellemzően 0,1–22 °C-os hőmérsékletemelkedést előidéző impulzusokat alkalmaztak a jelenség vizsgálatához. Az infravörös modulációs technikát sikeresen alkalmazták már szívizmok összehúzódási ritmusának szabályozására, vagy a siketség mérséklésére, a spirális ganglionsejtek közvetlen ingerlésével.
A biofizikai hatásmechanizmussal kapcsolatban számos hipotézis tartja magát, melyek közül vélhetően több tényező egyidejű fennállásának is köszönhető a sejtaktivitás termikus manipulációja. A szakirodalomban tárgyalt lehetséges stimuláló effektusok közül fotokémiai, fotomechanikai és fototermikus hatások jönnek szóba. Ezeket a fotonokat jellemzően alacsony energiájuk miatt viszonylag hosszú pulzusidővel sugározzák be, ezért az első két hatás szerepe elhanyagolhatónak tekinthető. A fototermikus hatás kiváltása során a fény energiája alakul át hővé. A fiziológiás válasz hátterében hőmérsékletérzékeny ioncsatornák (ilyen például a tranziens receptor vanilloid család) szerepét, illetve az érintett sejtmembránok kapacitásának megváltozását számos kísérletben bizonyították, ugyanakkor az idegsejten belüli intracelluláris kalciumtranziensek közvetett befolyásolása, illetve másodlagos hemodinamikai folyamatok is szerepet játszhatnak.
(a) Az integrált, tűalakú mikroeszköz érzékelő (kék) és beavatkozó (piros) funkcióinak szemléltetése, és (b) a felhasználásra kész, külső interfészekkel ellátott eszköz. A bal alsó betétábra a mikrostruktúra mikroszkópos felülnézeti képét mutatja.
Hőhatásból információ
A fenti hatásmechanizmussal kapcsolatos bizonytalanságok részben annak is köszönhetők, hogy az utóbbi évtizedben jellemzően sejtkultúrákon végzett vizsgálatokból származnak mérési eredmények, míg az élő szervezetben (in vivo) tett megfigyelések még gyerekcipőben járnak. Fekete Zoltán és kutatócsoportja a Nemzeti Agykutatási Program keretében egy olyan multifunkciós, integrált implantátumot fejlesztett ki, mellyel az élő szövetből, újszerű információ gyűjthető az elnyelt infravörös sugárzás sejtszintű hatásairól. A mikro- és nanotechnológiai műveletekkel készült 170 µm x 190 µm keresztmetszetű érzékelő és beavatkozó struktúrákkal felvértezett, tűalakú elektród három, kísérletileg fontos funkciót hordoz. A részben mechanikai funkciót is ellátó tűtestet egy egyedi polírozási eljárással egyben optikai hullámvezetővé alakították, melynek köszönhetően a becsatolt infravörös sugárzás – mint egy optikai üvegszálban – teljes visszaverődéssel terjedhet a stimulálandó szövetrész felé. Ugyanezen tűtest mérőpontokat is tartalmaz, mellyel egyrészt a szövetben elnyelt sugárzás okozta hőmérséklet-emelkedés, másrészt az ennek következtében kialakuló elektrofiziológiai válasz is mérhető. A komplex eszköz pontos működésének, és fizikai korlátjainak megértéséhez, továbbá a későbbi in vivo mérési eredmények alaposabb elemzéséhez a BME Atomfizika Tanszék közreműködésével egy multifizikai modell is készült. A fenti technológiai és eszközfejlesztési kísérleti eredményeket a csoport két különálló közleményben, a rangos Sensors & Actuators B:Chemical folyóiratban tette közzé.
Kétperces optikai stimulációk sorozatára adott elektrofiziológiai válaszok. (a) Kortikális és (b) hippokampális sejt tüzelési frekvenciájának változása a stimulációs protokoll során a mikroeszközzel közvetített optikai fényteljesítmény függvényében. (c) A stimuláció során kiváltott, modellezett hőeloszlás rágcsáló agyszövetében. (d) Detektált akciós potenciálok reprezentatív hullámformájának összehasonlítása a stimuláció alkalmazása előtt (zöld), közben (kék) és után (piros).
Első in vivo megfigyelések
A rágcsálókon végzett laboratóriumi kísérletek során több fontos kérdést is megvizsgáltak a csoport tagjai. Elsőként, az idegszövetbe ültethető, integrált mikroeszköz funkcióinak stabil működését elemezték. Megállapították, hogy a hőmérséklet nagy pontosságú (±0,1 K) mérése és a neurofiziológiai változások detektálása az implantálható hordozón kialakított mikroszenzorokkal biztosítható. Kezdeti eredményeiket a szakterület elismert folyóiratában, a Journal of Neural Engineeringben publikálták. Az integrált hullámvezető – mint az infravörös sugárzás célzott továbbítását biztosító beágyazott funkció – működésének vizsgálatát további beavatkozások során sikeresen demonstrálták. Megvizsgálták, hogy az infravörös stimuláció hatására a patkány agykérgében és hippokampuszában detektált egyedi sejtek az elnyelt optikai teljesítmény (5–15 mW) függvényében miként reagálnak a környezeti hőmérséklet emelkedésére. A korábbi, szakirodalomban fellelhető, kizárólag in vitro kísérleti eredményekhez képest a kiváltott válaszokban sokkal kifinomultabb mintázatokat sikerült azonosítani. Megállapították, hogy a folytonos idejű fűtési periódusok – sejttípustól és gerjesztési paraméterektől függetlenül – a vizsgált sejtek akciós potenciáljának hullámformáját nem befolyásolják, ugyanakkor a kiváltott elektrofiziológiás válaszok dinamikáját tekintve egyedi tulajdonságokat mutatnak. A stimulációs protokollok során –sejttípustól függően – mind serkentő, mind gátló hatást is tudtak reverzíbilis módon előidézni, vagyis a stimulált sejtek károsodás nélkül viselték a kísérleteket. A kutatómunka jelentős előrelépésnek számít, hiszen elsőként sikerült egy multifunkciós eszközzel in vivo kísérletben demonstrálni az infravörös idegi stimuláció és gátlás jelenségét is, ráadásul az eddigi in vitro modellekhez képest lényegesen alacsonyabb besugárzási dózis alkalmazásával. Az in vivo kísérletek és a kapcsolódó elemzések elkészítésében a Természettudományi Kutatóközpont Alvási Oszcillációk Kutatócsoportja működött közre.
A csoport legújabb in vivo kísérleti eredményeiről a Nature első mérnöki tudományokkal foglalkozó folyóirata, a Microsystems & Nanoengineering számolt be. A közlemény jelentőségét bizonyítja, hogy ez a magas presztízsű szakmai folyóirat első olyan közleménye, melyet magyarországi szerzők publikáltak. Első szerzője, Horváth Ágoston Csaba, aki hamarosan doktori disszertációját védi a témában.
Hogyan tovább?
A csoport által képviselt kutatási irány mozgatórugója természetesen a társadalmat érintő fontosabb idegrendszerei betegségek mélyebb megértése, illetve tüneti kezelésének vizsgálata. Az infravörös idegi stimuláció egy viszonylag fiatal, kevésbé ismert ága a neuromodulációs technikáknak. Amellett, hogy a demonstrált mikroeszköz segíthet az infravörös stimulációs technika biofizikai mechanizmusának feltárásában, a kutatás távlati célja, hogy valamely neurodegeneratív betegségmodellben (pl. epilepszia, Parkinson-kór) is vizsgálják a módszer alkalmazhatóságát.
A projektmunkát a Nemzeti Agykutatási Program (2017_1.2.1_NKP-2017-00002), és az Új Nemzeti Kiválósági Program (UNKP-19-4-PPKE-9, UNKP-19-3-I-OE-36) támogatta. A mikroeszközök az EK MFA Mikrorendszerek Laboratóriumának tisztaterében készültek.
Bővebb információk a kutatócsoport honlapján vagy a következő elérhetőségeken:
Fekete Zoltán, tudományos főmunkatárs, Pázmány Péter Katolikus Egyetem, Információtechnológiai és Bionikai Kar, Implantálható Mikrorendszerek Kutatócsoport
A címlapkép forrása: Flickr/NIH Image Gallery/Veronica Alvarez, National Institutes of Health
