جدیدترین درمان بیماری پارکینسون با کمک مهندسان MIT

بیماری پارکینسون بین چه کسانی شایع است؟

بیماری پارکینسون یکی از شایع‌ترین اختلالات عصبی پیشرونده است که عمدتاً در افراد بالای ۶۰ سال رخ می‌دهد، گرچه ممکن است در سنین پایین‌تر نیز مشاهده شود. این بیماری ناشی از کاهش سلول‌های تولیدکننده دوپامین در بخشی از مغز به نام سابستانشیا نایگرا (Substantia Nigra) است. علائم اصلی آن شامل لرزش دست‌ها، کندی حرکت، خشکی عضلات و اختلال در تعادل و هماهنگی حرکات بدن است. طبق آمار جهانی، حدود ۱ تا ۲ درصد از جمعیت افراد بالای ۶۵ سال درگیر این بیماری می‌شوند، و شیوع آن با افزایش سن بیشتر می‌شود.

درمان های رایج بیماری پارکینسون چیست؟

درمان‌های رایج برای پارکینسون شامل مصرف داروهایی مانند لوودوپا برای جبران کمبود دوپامین، فیزیوتراپی برای بهبود حرکت، و در موارد پیشرفته‌تر، روش تحریک عمقی مغز (DBS) با استفاده از الکترودهای کاشته‌شده است. با این حال، این الکترودها در طول زمان ممکن است دچار خوردگی شوند یا موجب ایجاد بافت زخمی شوند که اثربخشی درمان را کاهش می‌دهد و نیاز به جراحی مجدد ایجاد می‌کند.

در همین راستا، تیمی از مهندسان دانشگاه MIT راهکاری نوین و کم‌تهاجم ارائه داده‌اند که با بهره‌گیری از فناوری سونوگرافی، بدون نیاز به جریان الکتریکی و از طریق فیبری بسیار نازک، امکان تحریک دقیق و ایمن سلول‌های عصبی را فراهم می‌کند. در ادامه، متن کامل این نوآوری و نتایج حاصل از آن در مطالعات حیوانی آمده است.

راهکار مهندسان MIT برای درمان بیماری پارکینسون چیست؟

سونوگرافی راهی نوین برای تحریک عمقی مغز ارائه می‌دهد، دستگاه قابل کاشت ImPULS مهندسان MIT می‌تواند جایگزینی برای الکترودهایی شود که امروزه برای درمان پارکینسون و دیگر بیماری‌ها به کار می‌روند. تحریک عمقی مغز، که از طریق الکترودهای کاشته‌شده که پالس‌های الکتریکی را به مغز می‌رسانند انجام می‌شود، معمولاً برای درمان بیماری پارکینسون و اختلالات عصبی دیگر استفاده می‌شود.

 با این حال، الکترودهای مورد استفاده در این درمان ممکن است به مرور زمان دچار خوردگی شده و بافت زخمی در اطراف آن‌ها شکل گیرد، که در نهایت نیاز به خارج‌سازی آن‌ها را ضروری می‌سازد.اکنون پژوهشگران MIT رویکرد جایگزینی را توسعه داده‌اند که به جای برق، از سونوگرافی برای تحریک عمقی مغز استفاده می‌کند و از طریق فیبری به ضخامت یک تار موی انسان منتقل می‌شود. 

آزمایش روی موش‌ها

در مطالعه‌ای روی موش‌ها، آن‌ها نشان دادند که این تحریک می‌تواند باعث آزادسازی دوپامین توسط نورون‌ها در بخشی از مغز شود که اغلب در بیماران مبتلا به پارکینسون هدف قرار می‌گیرد. دکتر کانان داگدورِن، استاد همکار در آزمایشگاه رسانه‌ای MIT و نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید:

«با استفاده از سونوگرافی، می‌توانیم راهی جدید برای تحریک نورون‌ها در عمق مغز ایجاد کنیم و این دستگاه نازک‌تر از تار موی انسان است، بنابراین آسیب بافتی ناچیز خواهد بود و حرکت آن در عمق مغز برای ما آسان است.»

علاوه بر ارائه روشی ایمن‌تر برای تحریک عمقی مغز، این رویکرد می‌تواند ابزاری ارزشمند برای پژوهشگرانی باشد که می‌خواهند بیشتر درباره نحوه عملکرد مغز بدانند.

جیسون هو، دانشجوی دکترای MIT و محمد عثمان گونی نایم، پژوهشگر پسادکتری MIT، نویسندگان اصلی این مقاله هستند، همراه با همکارانی از مؤسسه تحقیقات مغز مک‌گاورن MIT، دانشگاه بوستون و مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech). این مطالعه امروز در نشریه Nature Communications منتشر شده است.

دستگاه سونوگرافی باید قابل کاشت باشد!!

پیش‌تر، آزمایشگاه داگدورن دستگاه‌های سونوگرافی پوشیدنی‌ای توسعه داده بود که می‌توانند برای رساندن دارو از طریق پوست یا تصویربرداری تشخیصی از اندام‌های مختلف به کار روند. با این حال، سونوگرافی نمی‌تواند از دستگاهی که به سر یا جمجمه متصل است، به عمق مغز نفوذ کند.

داگدورن می‌گوید: «اگر بخواهیم وارد عمق مغز شویم، دیگر نمی‌توان فقط به دستگاه‌های پوشیدنی یا قابل اتصال بسنده کرد. این دستگاه باید قابل کاشت باشد. ما دستگاه را با دقت تنظیم کردیم تا حداقل تهاجمی باشد و از رگ‌های خونی بزرگ در عمق مغز اجتناب کند.»

تحریک عمقی مغز با پالس‌های الکتریکی مورد تأیید FDA برای درمان علائم بیماری پارکینسون است. این روش از الکترودهایی به ضخامت میلی‌متر برای فعال‌سازی سلول‌های تولیدکننده دوپامین در ناحیه‌ای از مغز به نام substantia nigra استفاده می‌کند. اما پس از کاشت در مغز، این دستگاه‌ها در نهایت دچار خوردگی می‌شوند و بافت زخمی که اطراف آن شکل می‌گیرد می‌تواند در انتقال پالس‌ها اختلال ایجاد کند.

می‌توان از سونوگرافی برای برانگیختن فعالیت نورون ها استفاده کرد؟؟!!

تیم MIT تصمیم گرفت بررسی کند آیا می‌توان با جایگزین کردن تحریک الکتریکی با سونوگرافی بر این مشکلات غلبه کرد. بیشتر نورون‌ها کانال‌های یونی دارند که به تحریک مکانیکی مانند ارتعاشات امواج صوتی پاسخ می‌دهند، بنابراین می‌توان از سونوگرافی برای برانگیختن فعالیت در این سلول‌ها استفاده کرد. با این حال، فناوری‌های موجود برای ارسال سونوگرافی از طریق جمجمه به مغز نمی‌توانند با دقت بالا به عمق مغز برسند، زیرا خود جمجمه می‌تواند مانع امواج صوتی شود و تحریک خارج از هدف ایجاد کند.

نایم می‌گوید: «برای تعدیل دقیق نورون‌ها، باید به عمق بیشتری برویم، بنابراین نوع جدیدی از ایمپلنت مبتنی بر سونوگرافی طراحی کردیم که میدان‌های صوتی موضعی ایجاد می‌کند.» برای رسیدن ایمن به این نواحی عمیق، پژوهشگران فیبری به ضخامت مو از پلیمر انعطاف‌پذیر طراحی کردند. نوک این فیبر حاوی یک مبدل سونوگرافی شبیه به طبل با غشایی لرزان است. وقتی این غشاء، که فیلم پیزوالکتریک نازکی را در بر دارد، با ولتاژ الکتریکی کوچکی تحریک می‌شود، امواج فراصوتی تولید می‌کند که توسط سلول‌های مجاور قابل تشخیص است.

سونوگرافی در سعادت آباد
سونوگرافی در گیشا  

دکتر هو می‌گوید: «این دستگاه برای بافت ایمن است، سطح الکترود در معرض ندارد و مصرف انرژی بسیار پایینی دارد، که برای استفاده‌های درمانی در بیماران امیدبخش است.»

نتیجه آزمایش ها تا الان چگونه بوده؟

در آزمایش‌هایی روی موش‌ها، پژوهشگران نشان دادند که این دستگاه سونوگرافی، که آن را ImPULS (مخفف Implantable Piezoelectric Ultrasound Stimulator) نامیده‌اند، می‌تواند فعالیت نورون‌ها در هیپوکامپ را تحریک کند. سپس، فیبرها را در ناحیه substantia nigra که دوپامین تولید می‌کند کاشتند و نشان دادند که می‌توانند نورون‌ها را در ناحیه dorsal striatum تحریک کرده و تولید دوپامین را افزایش دهند.

استیو رامیرز، استاد روانشناسی و علوم مغز در دانشگاه بوستون و یکی از نویسندگان مطالعه می‌گوید: «تحریک مغز یکی از مؤثرترین، اما کمترین درک‌شده‌ترین روش‌ها برای بازگرداندن سلامت مغز است. ImPULS به ما این امکان را می‌دهد تا سلول‌های مغزی را با دقت فضایی-زمانی بالا تحریک کنیم، بدون آنکه آسیبی مشابه دیگر روش‌ها ایجاد کند. اثربخشی آن در نواحی‌ای مانند هیپوکامپ، راهی کاملاً جدید برای ارائه تحریک دقیق به مدارهای هدف در مغز گشود.»

دستگاهی قابل تنظیم

تمام اجزای این دستگاه زیست‌سازگار هستند، از جمله لایه پیزوالکتریک که از سرامیک جدیدی به نام نیوبات پتاسیم-سدیم (KNN) ساخته شده است. نسخه فعلی ایمپلنت از منبع برق خارجی تغذیه می‌شود، اما پژوهشگران تصور می‌کنند که نسخه‌های آینده می‌توانند از طریق باتری کوچک و واحد الکترونیکی قابل کاشت تغذیه شوند.

پژوهشگران فرآیند میکروساختی طراحی کرده‌اند که به آن‌ها امکان می‌دهد طول و ضخامت فیبر، و نیز فرکانس امواج صوتی تولیدشده توسط مبدل پیزوالکتریک را به راحتی تنظیم کنند. این ویژگی می‌تواند اجازه دهد دستگاه‌ها برای نواحی مختلف مغز سفارشی شوند.

آیا برای انسان ها هم می توان از دستگاه ImPULS استفاده کرد؟

داگدورن می‌گوید: «نمی‌توان گفت که این دستگاه در هر ناحیه مغز اثر مشابهی خواهد داشت، اما با اطمینان کامل می‌توان گفت که این فناوری مقیاس‌پذیر است، و نه فقط برای موش‌ها. می‌توانیم آن را بزرگ‌تر کنیم تا در نهایت در انسان‌ها نیز مورد استفاده قرار گیرد.»

پژوهشگران اکنون قصد دارند بررسی کنند که تحریک سونوگرافی چگونه بر نواحی مختلف مغز تأثیر می‌گذارد، و آیا این دستگاه‌ها در صورت کاشت طولانی‌مدت (مثلاً در مقیاس یک سال) همچنان عملکرد مناسبی خواهند داشت یا خیر. همچنین آن‌ها به امکان افزودن یک کانال میکروسیال علاقه‌مندند، که می‌تواند امکان تحویل دارو همراه با سونوگرافی را فراهم کند.

به گفته پژوهشگران، علاوه بر پتانسیل درمانی در بیماری پارکینسون یا دیگر بیماری‌ها، این نوع دستگاه سونوگرافی می‌تواند ابزار ارزشمندی برای کمک به محققان در درک بهتر مغز باشد.

داگدورن می‌گوید: «هدف ما ارائه این فناوری به‌عنوان یک ابزار تحقیقاتی برای جامعه علوم اعصاب است، زیرا باور داریم ابزارهای مؤثر کافی برای درک مغز وجود ندارد. ما به‌عنوان مهندسان دستگاه، تلاش می‌کنیم ابزارهای جدیدی ارائه دهیم تا بتوانیم بیشتر درباره نواحی مختلف مغز بیاموزیم.»

این تحقیق با حمایت مالی کنسرسیوم آزمایشگاه رسانه‌ای MIT و جایزه پژوهشگران جوان بنیاد تحقیقات مغز و رفتار (BBRF) تأمین شد.