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，來自瓦倫西亞理工大學（UPV）、西班牙國家研究委員會（CSIC）和美國哥倫比亞大學的一個研究團隊開展了一項合作項目：利用3D打印技術創(chuàng)建了聲學全息圖來治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病。憑借這些設備，血腦屏障可以以一種選擇性的、有效的和有針對性的方式打開。這將促進治療藥物的使用，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打印技術治療神經(jīng)退行性疾病的進展，這要歸功于雷尼紹公司創(chuàng)建的一個設備。現(xiàn)在，由上述組織組成的研究團隊繼續(xù)押注于這項技術，因為它在健康和醫(yī)療設備開發(fā)領域具有多種優(yōu)勢。

照片來源：UPV

3D打印的聲學全息圖

據(jù)項目專家介紹，聚焦超聲（FUS）技術在治療神經(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，很難將其應用于神經(jīng)系統(tǒng)的結構。這些原因包括顱骨的畸變和衰減效應，以及大腦結構的復雜空間分布。為了解決這個問題，研究人員嘗試了采用增材制造的3D聲學全息圖，并提出了聲全息圖的第一個臨床前應用，在小鼠的兩個鏡像區(qū)域執(zhí)行雙側血腦屏障（BBB）開口實驗。

如果醫(yī)生需要對病人的頭部進行超聲檢查，他可以提供用戶的CT和MRI，以便識別和分割要治療的區(qū)域。根據(jù)這些信息，醫(yī)生可以針對病患區(qū)域進行區(qū)分，并設計出全息圖模型。為了創(chuàng)建定制的設備，他們采用了3D打印進行設計，以一種低成本的全息圖呈現(xiàn)。根據(jù)不同的應用，其成本將在40至300歐元之間。超聲波發(fā)射器是一種揚聲器，以每秒50萬次的頻率振動。全息圖被放置在它的前面，并被聲波穿過。一旦血腦屏障（BBB）的上皮組織開始收縮，藥物分子就會進入該區(qū)域，開始治療病癥。

聲學全息圖。圖片來源：UPV

聚焦超聲系統(tǒng)由一個工作頻率為 1.68 MHz 的單晶聚焦換能器組成，耦合到一個 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)生兩個對稱的焦點，同時，補償由顱骨引起的波前像差。T1 加權 MR 圖像顯示釓在兩個對稱的準球形焦點處外滲。通過對時間反轉場進行編碼，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物頭骨內(nèi)的多個點上。這項工作證明了全息圖輔助 BBB 開放在不同半球對稱區(qū)域的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中實現(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物頭骨內(nèi)的多個點上。事實上，這個項目標志著BBB首次在兩個半球同時被打開。

UPV的研究員Noé Jiménez對他們的創(chuàng)造進行了擴展，他總結說："通過我們的全息圖，超聲束聚焦并非常精確地適應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的海馬體組成的兩個核，它具有奇特的三維形狀。"

目前，該項研究并未展開人體實驗，但這一發(fā)展對患有神經(jīng)系統(tǒng)疾病的人來說確實是一個令人鼓舞的消息。你可以在題為“小鼠模型雙側血腦屏障開口的聲學全息圖/Acoustic Holograms for Bilateral Blood-Brain Barrier Opening in aMouse Model”的論文中找到更多信息。

相關論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9548786