Välriktade skott i sjukdom

Vi letar efter ett effektivt läkemedel och vaccin mot coronavirus och dess infektion. För närvarande har vi inga läkemedel med bevisad effektivitet. Men det finns ett annat sätt att bekämpa sjukdomar, mer relaterat till teknikens värld än till biologi och medicin...

1998, d.v.s. vid en tidpunkt då den amerikanske upptäcktsresanden Kevin Tracy (1), genomförde sina experiment på råttor, ingen koppling observerades mellan vagusnerven och immunsystemet i kroppen. En sådan kombination ansågs nästan omöjlig.

Men Tracy var säker på dess existens. Han kopplade en handhållen elektrisk impulsstimulator till djurets nerv och behandlade den med upprepade "injektioner". Han gav sedan råttan TNF (tumörnekrosfaktor), ett protein som förknippas med inflammation hos både djur och människor. Djuret skulle ha blivit akut inflammerat inom en timme, men vid undersökning visade det sig att TNF var blockerat till 75 %.

Det visade sig att nervsystemet fungerade som en datorterminal, med vilken man antingen kunde förhindra infektion innan den började eller stoppa utvecklingen.

Korrekt programmerade elektriska impulser som påverkar nervsystemet kan ersätta effekterna av dyra mediciner som är viktiga för patientens hälsa.

Fjärrkontroll av kroppen

Denna upptäckt öppnade en ny filial som heter bioelektronik, som letar efter allt mer miniatyriserade tekniska lösningar för att stimulera kroppen för att framkalla noggrant planerade reaktioner. Tekniken är fortfarande i sin linda. Dessutom finns det allvarliga farhågor om säkerheten hos elektroniska kretsar. Men jämfört med farmaceutiska läkemedel har det enorma fördelar.

I maj 2014 berättade Tracy för New York Times det bioelektroniska teknologier kan framgångsrikt ersätta läkemedelsindustrin och har upprepat detta ofta de senaste åren.

Företaget som han grundade, SetPoint Medical (2), använde den nya behandlingen för första gången i en grupp på tolv frivilliga från Bosnien och Hercegovina för två år sedan. De hade små vagusnervstimulatorer implanterade i halsen, som avger elektriska signaler. Hos åtta personer var försöket framgångsrikt - akut smärta avtog, nivån av pro-inflammatoriska proteiner normaliserades och, viktigast av allt, den nya metoden orsakade inga allvarliga biverkningar. Det minskade TNF-nivåerna med cirka 80 %, utan att eliminera det helt, vilket är fallet med farmakoterapi.

2. SetPoint Medical bioelektroniskt chip

Efter år av laboratorieforskning började SetPoint Medical, som investerades i av läkemedelsföretaget GlaxoSmithKline, 2011 kliniska prövningar av nervstimulerande implantat för att bekämpa sjukdomar. Två tredjedelar av patienterna i studien som hade implantat längre än 19 cm i halsen kopplade till vagusnerven upplevde förbättring, minskning av smärta och svullnad. Forskare säger att detta bara är början, och de har planer på att behandla dem med elektrisk stimulering för andra sjukdomar som astma, diabetes, epilepsi, infertilitet, fetma och till och med cancer. Naturligtvis även infektioner som COVID-XNUMX.

Som koncept är bioelektroniken enkel. Kort sagt, det överför signaler till nervsystemet som säger åt kroppen att reparera sig själv.

Men som alltid ligger problemet i detaljerna, såsom korrekt tolkning och översättning av nervsystemets elektriska språk. Säkerhet är en annan fråga. När allt kommer omkring talar vi om elektroniska enheter anslutna trådlöst till ett nätverk (3), vilket betyder -.

Sättet han pratar på Anand Raghunathan, professor i el- och datorteknik vid Purdue University, bioelektronik "ger mig fjärrkontroll över någons kropp." Detta är också ett seriöst test miniatyrisering, inklusive metoder för att effektivt ansluta till nätverk av neuroner som skulle tillåta lämpliga mängder data att erhållas.

3. Hjärnimplantat som kommunicerar trådlöst

Bioelektronik ska inte förväxlas med biocybernetik (det vill säga biologisk kybernetik), inte heller med bionik (som uppstod från biocybernetik). Dessa är separata vetenskapliga discipliner. Deras gemensamma nämnare är hänvisningen till biologisk och teknisk kunskap.

Kontrovers om bra optiskt aktiverade virus

Idag skapar forskare implantat som kan kommunicera direkt med nervsystemet i ett försök att bekämpa en mängd olika hälsoproblem, från cancer till förkylning.

Om forskarna var framgångsrika och bioelektroniken blev utbredd skulle miljontals människor en dag kunna gå runt med datorer kopplade till sina nervsystem.

I drömmarnas rike, men inte helt orealistiska, finns det till exempel system för tidig varning som, med hjälp av elektriska signaler, omedelbart upptäcker "besöket" av ett sådant coronavirus i kroppen och riktar vapen (farmakologiska eller till och med nanoelektroniska) mot det . angripare tills han attackerar hela systemet.

Forskare kämpar för att hitta en metod som kan förstå signaler från hundratusentals neuroner samtidigt. Noggrann registrering och analys är avgörande för bioelektronikså att forskare kan identifiera diskrepanser mellan de grundläggande neurala signalerna hos friska människor och de signaler som produceras av en person med en viss sjukdom.

Den traditionella metoden för att spela in neurala signaler är att använda små sonder med elektroder inuti, så kallade. En prostatacancerforskare kan till exempel fästa klämmor på en nerv som är kopplad till prostatakörteln hos en frisk mus och registrera aktiviteten. Samma sak kunde göras med en varelse vars prostata var genetiskt modifierad för att producera maligna tumörer. Att jämföra rådata från båda metoderna kommer att avgöra hur olika neurala signaler är hos möss med cancer. Baserat på sådana data skulle en korrigerande signal i sin tur kunna programmeras in i en bioelektronisk enhet för cancerbehandling.

Men de har nackdelar. De kan bara välja en cell åt gången, så de samlar inte in tillräckligt med data för att se helheten. Sättet han pratar på Adam E. Cohen, professor i kemi och fysik vid Harvard, "det är som att försöka se en opera genom ett sugrör."

Cohen, en expert inom ett framväxande område kallas optogenetik, tror att det kan övervinna begränsningarna med externa patchar. Hans forskning försöker använda optogenetik för att dechiffrera sjukdomens neurala språk. Problemet är att neural aktivitet inte kommer från rösterna från enskilda neuroner, utan från en hel orkester av dem som agerar i förhållande till varandra. Att se en i taget ger dig inte en helhetssyn.

Optogenetik började på 90-talet, när forskare visste att proteiner som kallas opsiner i bakterier och alger genererade elektricitet när de exponerades för ljus. Optogenetik utnyttjar denna mekanism.

Opsingenerna infogas i DNA från ett ofarligt virus, som sedan injiceras i testpersonens hjärna eller perifera nerv. Genom att ändra den genetiska sekvensen av viruset riktar forskarna sig mot specifika neuroner, till exempel de som är ansvariga för känslor av kyla eller smärta, eller områden i hjärnan som är kända för att vara ansvariga för vissa handlingar eller beteenden.

Sedan förs en optisk fiber in genom huden eller skallen, som sänder ljus från sin spets till platsen där viruset finns. Ljus från den optiska fibern aktiverar opsinet, som i sin tur leder en elektrisk laddning som får neuronen att "lysa upp" (4). På detta sätt kan forskare kontrollera möss reaktioner, vilket orsakar sömn och aggression på kommando.

4. Ljuskontrollerad neuron

Men innan man använder opsiner och optogenetik för att aktivera neuroner involverade i specifika sjukdomar, måste experter bestämma inte bara vilka neuroner som är ansvariga för sjukdomen, utan också hur sjukdomen interagerar med nervsystemet.

Precis som datorer pratar neuroner binärt språk, med en ordbok baserad på om deras signal är på eller av. Ordningen, timingen och intensiteten av dessa förändringar avgör hur information överförs. Men om en sjukdom kan anses tala sitt eget språk är en översättare nödvändig.

Cohen och hans kollegor ansåg att optogenetik kunde hantera detta. Så de designade processen omvänt - istället för att använda ljus för att aktivera neuroner, använder de ljus för att registrera sin aktivitet.

Opsins kan vara ett sätt att behandla alla möjliga sjukdomar, men forskare kommer sannolikt att behöva utveckla bioelektroniska enheter som inte använder dem. Användningen av genetiskt modifierade virus kommer att bli oacceptabel för myndigheter och samhälle. Dessutom är opsin-metoden baserad på genterapi, som ännu inte har nått övertygande framgång i kliniska prövningar, är mycket dyr och verkar medföra allvarliga hälsorisker.

Cohen nämner två alternativ. En av dem handlar om molekyler som beter sig som opsins. Den andra använder RNA för att omvandla till ett opsinliknande protein eftersom det inte förändrar DNA, så det finns inga risker med genterapi. Och ändå huvudproblemet ger ljus i området. Det finns konstruktioner av hjärnimplantat med inbyggd laser, men till exempel Cohen anser att det är lämpligare att använda externa ljuskällor.

På lång sikt lovar bioelektroniken (5) en omfattande lösning på alla hälsoproblem som mänskligheten står inför. Detta är ett mycket experimentellt område för tillfället.

Det är dock utan tvekan väldigt intressant.