大腦的“全息投影”，研究人員利用3D打印超聲全息圖治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病

2022年5月31日，南極熊獲悉，來(lái)自瓦倫西亞理工大學(xué)（UPV）、西班牙國(guó)家研究委員會(huì)（CSIC）和美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一項(xiàng)合作項(xiàng)目：利用3D打印技術(shù)創(chuàng)建了聲學(xué)全息圖來(lái)治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病。憑借這些設(shè)備，血腦屏障可以以一種選擇性的、有效的和有針對(duì)性的方式打開(kāi)。這將促進(jìn)治療藥物的使用，以治療這種類型的神經(jīng)病變。

根據(jù)泛美衛(wèi)生組織（PAHO）的數(shù)據(jù)，2019年神經(jīng)系統(tǒng)疾病共造成533,172人死亡，或每10萬(wàn)人中約32.9人死亡。這包括諸如阿爾茨海默氏癥、帕金森癥、多發(fā)性硬化癥和精神分裂癥等疾病。然而，在2020年已經(jīng)可以看到用3D打印技術(shù)治療神經(jīng)退行性疾病的進(jìn)展，這要?dú)w功于雷尼紹公司創(chuàng)建的一個(gè)設(shè)備�，F(xiàn)在，由上述組織組成的研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)押注于這項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)樗�在健康和醫(yī)療設(shè)備開(kāi)發(fā)領(lǐng)域具有多種優(yōu)勢(shì)。

照片來(lái)源：UPV

3D打印的聲學(xué)全息圖

據(jù)項(xiàng)目專家介紹，聚焦超聲（FUS）技術(shù)在治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面有很大的潛力。這是由于它能夠以精確和非侵入性的方式產(chǎn)生治療效果。然而，由于各種原因，很難將其應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這些原因包括顱骨的畸變和衰減效應(yīng)，以及大腦結(jié)構(gòu)的復(fù)雜空間分布。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員嘗試了采用增材制造的3D聲學(xué)全息圖，并提出了聲全息圖的第一個(gè)臨床前應(yīng)用，在小鼠的兩個(gè)鏡像區(qū)域執(zhí)行雙側(cè)血腦屏障（BBB）開(kāi)口實(shí)驗(yàn)。

如果醫(yī)生需要對(duì)病人的頭部進(jìn)行超聲檢查，他可以提供用戶的CT和MRI，以便識(shí)別和分割要治療的區(qū)域。根據(jù)這些信息，醫(yī)生可以針對(duì)病患區(qū)域進(jìn)行區(qū)分，并設(shè)計(jì)出全息圖模型。為了創(chuàng)建定制的設(shè)備，他們采用了3D打印進(jìn)行設(shè)計(jì)，以一種低成本的全息圖呈現(xiàn)。根據(jù)不同的應(yīng)用，其成本將在40至300歐元之間。超聲波發(fā)射器是一種揚(yáng)聲器，以每秒50萬(wàn)次的頻率振動(dòng)。全息圖被放置在它的前面，并被聲波穿過(guò)。一旦血腦屏障（BBB）的上皮組織開(kāi)始收縮，藥物分子就會(huì)進(jìn)入該區(qū)域，開(kāi)始治療病癥。

聲學(xué)全息圖。圖片來(lái)源：UPV

聚焦超聲系統(tǒng)由一個(gè)工作頻率為 1.68 MHz 的單晶聚焦換能器組成，耦合到一個(gè) 3D 打印的超聲全息圖，該全息圖旨在在體內(nèi)麻醉小鼠體內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)稱的焦點(diǎn)，同時(shí)，補(bǔ)償由顱骨引起的波前像差。T1 加權(quán) MR 圖像顯示釓在兩個(gè)對(duì)稱的準(zhǔn)球形焦點(diǎn)處外滲。通過(guò)對(duì)時(shí)間反轉(zhuǎn)場(chǎng)進(jìn)行編碼，全息圖能夠以接近衍射極限的分辨率將聲能聚焦在小型臨床前動(dòng)物頭骨內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)上。這項(xiàng)工作證明了全息圖輔助 BBB 開(kāi)放在不同半球?qū)ΨQ區(qū)域的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)低成本和高度定位的靶向藥物遞送的可行性。全息圖能夠以接近衍射極限的分辨率將聲能聚焦在小型臨床前動(dòng)物頭骨內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)上。事實(shí)上，這個(gè)項(xiàng)目標(biāo)志著B(niǎo)BB首次在兩個(gè)半球同時(shí)被打開(kāi)。

UPV的研究員Noé Jiménez對(duì)他們的創(chuàng)造進(jìn)行了擴(kuò)展，他總結(jié)說(shuō)："通過(guò)我們的全息圖，超聲束聚焦并非常精確地適應(yīng)大腦中具有巨大治療意義的部分，例如，與阿爾茨海默病有關(guān)的海馬體組成的兩個(gè)核，它具有奇特的三維形狀。"

目前，該項(xiàng)研究并未展開(kāi)人體實(shí)驗(yàn)，但這一發(fā)展對(duì)患有神經(jīng)系統(tǒng)疾病的人來(lái)說(shuō)確實(shí)是一個(gè)令人鼓舞的消息。你可以在題為“小鼠模型雙側(cè)血腦屏障開(kāi)口的聲學(xué)全息圖/Acoustic Holograms for Bilateral Blood-Brain Barrier Opening in aMouse Model”的論文中找到更多信息。

相關(guān)論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9548786