.
As doenças cerebrais humanas, como a doença de Parkinson, envolvem danos em mais de uma região do cérebro, exigindo tecnologia que possa abordar com precisão e flexibilidade todas as regiões afetadas simultaneamente. Pesquisadores da Universidade de Washington em St. Louis desenvolveram uma tecnologia não invasiva que combina um dispositivo acústico holográfico com engenharia genética que lhes permite atingir com precisão os neurônios afetados no cérebro, criando o potencial para modular com precisão tipos de células selecionadas em múltiplas regiões cerebrais doentes.
Hong Chen, professora associada de engenharia biomédica na Escola de Engenharia McKelvey e de neurocirurgia na Faculdade de Medicina, e sua equipe criaram AhSonogenetics, ou sonogenética holográfica de feixe aéreo, uma técnica que usa um dispositivo de ultrassom vestível não invasivo para alterar neurônios geneticamente selecionados nos cérebros dos ratos. Os resultados do estudo de prova de conceito foram publicados em Anais da Academia Nacional de Ciências 17 de junho.
AhSonogenetics reúne vários avanços recentes do grupo de Chen em uma única tecnologia. Em 2021, ela e sua equipe lançaram a Sonogenética, um método que usa ultrassom focalizado para fornecer uma construção viral contendo canais iônicos sensíveis ao ultrassom para neurônios geneticamente selecionados no cérebro. Eles usam ultrassom focalizado de baixa intensidade para fornecer uma pequena explosão de calor, que abre os canais iônicos e ativa os neurônios. A equipe de Chen foi a primeira a mostrar que a sonogenética poderia modular o comportamento de ratos que se moviam livremente.
Em 2022, ela e membros de seu laboratório projetaram e imprimiram em 3D uma ferramenta flexível e versátil conhecida como metassuperfície acústica binária habilitada para feixe Airy, que lhes permitiu manipular feixes de ultrassom. Ela também está desenvolvendo a Sonogenética 2.0, que combina as vantagens do ultrassom e da engenharia genética para modular neurônios definidos de forma não invasiva e precisa nos cérebros de humanos e animais. AhSonogenetics os reúne como um método potencial para intervir em doenças neurodegenerativas.
“Ao permitir a neuromodulação precisa e flexível específica do tipo de célula, sem procedimentos invasivos, a AhSonogenetics fornece uma ferramenta poderosa para investigar circuitos neurais intactos e oferece intervenções promissoras para distúrbios neurológicos”, disse Chen.
A sonogenética oferece aos pesquisadores uma maneira de controlar com precisão o cérebro, enquanto a tecnologia de feixe aéreo permite aos pesquisadores dobrar ou direcionar as ondas sonoras para gerar padrões de feixe arbitrários dentro do cérebro com alta resolução espacial. Yaoheng (Mack) Yang, pesquisador associado de pós-doutorado que obteve doutorado em engenharia biomédica pela McKelvey Engineering em 2022, disse que a tecnologia oferece aos pesquisadores três vantagens exclusivas.
“O Airy Beam é a tecnologia que pode nos dar um direcionamento preciso de uma região menor do que a tecnologia convencional, a flexibilidade para direcionar para as regiões cerebrais alvo e para atingir múltiplas regiões cerebrais simultaneamente”, disse Yang.
Chen e sua equipe, incluindo os primeiros autores Zhongtao Hu, um ex-pesquisador de pós-doutorado, e Yang, projetaram cada metassuperfície de feixe Airy individualmente como base para dispositivos de ultrassom vestíveis que foram adaptados para diferentes aplicações e para locais precisos no cérebro.
A equipe de Chen testou a técnica em um modelo de rato com doença de Parkinson. Com o AhSonogenetics, eles conseguiram estimular duas regiões cerebrais simultaneamente em um único camundongo, eliminando a necessidade de múltiplos implantes ou intervenções. Esta estimulação aliviou os déficits motores relacionados ao Parkinson no modelo de camundongo, incluindo movimentos lentos, dificuldade para caminhar e comportamentos de congelamento.
O dispositivo Airy-beam da equipe supera alguns dos limites da sonogenética, incluindo a adaptação do design do dispositivo para atingir locais específicos do cérebro, bem como incorporar a flexibilidade para ajustar locais-alvo em um único cérebro.
Hu disse que o dispositivo, cujo fabrico custa cerca de 50 dólares, pode ser adaptado em tamanho para se adaptar a vários tamanhos de cérebro, expandindo as suas aplicações potenciais.
“Esta tecnologia pode ser usada como uma plataforma de pesquisa para acelerar a pesquisa em neurociências devido à capacidade de atingir com flexibilidade diferentes regiões do cérebro”, disse Hu. “A acessibilidade e a facilidade de fabricação reduzem as barreiras para a adoção generalizada dos dispositivos propostos pela comunidade de pesquisa para aplicações de neuromodulação.”
.
