염증 : 부상과 감염에 대한 신체의 자연스러운 반응이지만 의료 과학은 이제 그것을 양날의 칼로 인식합니다. 염증이 만성화되면 관절염, 심장병 및 특정 암을 포함한 심각한 건강 문제에 기여할 수 있습니다. 이러한 이해가 커짐에 따라 유해한 염증을 관리하는 효과적인 방법을 찾습니다.
의사와 연구원들은 새로운 약물에서식이 중재에 이르기 까지이 광범위한 건강 문제를 해결하기위한 다양한 접근법을 모색하고 있습니다. 그러나 가장 유망한 치료 중 하나가 수십 년 동안 병원에 있었던 친숙한 기술에 의존한다면 어떨까요?
입력하다 초음파 자극 (FUS), 음파를 사용하여 신체의 표적 영역에서 염증을 줄이는 기술. 초음파 기술에 대한 놀라운 새로운 응용 프로그램으로, 대부분의 사람들이 태아 검진 또는 진단 이미징과 관련이 있습니다. FUS는 당뇨병 및 비만을 포함한 다른 많은 장애에도 도움이 될 수 있습니다. 기존 초음파 기술을 수정함으로써 오늘날 가장 시급한 건강 문제에 대한 새로운 접근 방식을 제공 할 수 있습니다.
우리의 생물 의학 연구원 팀 생체 전자 의학 연구소 (Feinstein Institutes for Medical Research의 일부)는 뉴욕 주 맨 하세트에서 신경계의 전기 언어를 배우는 데 큰 진전을 이루었습니다. 우리는 신체 전체에 넓은 부작용을 가질 수있는 약물로 질병을 치료하는 대신,보다 표적으로 개입하기 위해 뉴런이라는 신경 세포를 자극하는 방법을 배우고 있습니다. 우리의 목표는 장기 내에서 특정 기능을 활성화하거나 억제하는 것입니다.
FUS의 비교적 새로운 적용 신경 조절우리는 음파가 뉴런을 활성화한다는 가설을 세우고, 광범위한 급성 및 만성 질병 모두에 대한 치유 치료를 제공하는 정확하고 안전한 방법을 제공 할 수 있습니다. 치료는 수술이 필요하지 않으며 웨어러블 장치와 함께 집에서 잠재적으로 사용할 수 있습니다. 사람들은 이러한 질병에 대한 약을 처방하는 데 익숙하지만, 언젠가 처방전은 다음과 같이 더 중요 할 수 있다고 생각합니다.
초음파 자극의 작동 방식
초음파 시간이 지남에 따라 의료 기술입니다. 연구원들은 1940 년대 초음파 영상화를 실험하기 시작하여 내부 장기에서 저에너지 초음파 파도를 튀어 의료 이미지를 구성하여 일반적으로 조직의 평방 센티미터 당 수백 밀리 와트의 강도를 사용했습니다. 1950 년대 후반, 일부 의사들은이 기술을 사용하여 기대 부모에게 어머니의 자궁 내부에서 태아가 발생합니다. 그리고 평방 센티미터 당 수백만 밀리 와트가 될 수있는 고강도 초음파 파도는 다양한 치료 용도를 가지고 있습니다. 종양 파괴.
그러나 신경계의 활동을 변경하기 위해 저 강도 초음파 (영상 적용과 유사한 강도)의 사용은 상대적으로 탐구되지 않은 영역입니다. 그것이 어떻게 작동하는지 이해하기 위해 FUS를 오늘날 가장 일반적인 형태의 신경 조절 형태와 비교하는 것이 도움이되며, 이는 전류를 사용하여 Parkinson 병과 같은 상태를 치료하기 위해 뉴런의 활동을 변경합니다. 이 기술에서, 전류는 뉴런 내부의 전압을 증가시켜“화재”를 일으켜 연결된 뉴런이받은 신경 전달 물질을 방출하여 해당 뉴런을 차례로 발사하도록 유발합니다. 예를 들어, 파킨슨 병을 치료하는 데 사용되는 깊은 뇌 자극은 특정 뉴런을 활성화하여 건강한 뇌 활동 패턴을 회복시킵니다.
작동 방식
대조적으로 FUS에서 음파의 진동은 뉴런의 막과 상호 작용하며, 오프닝 채널 이는 이온이 세포로 흐르도록하여 세포의 전압을 간접적으로 변화시켜 발사합니다. 유망한 용도는 하나입니다 경 두개 초음파 자극이것은 뇌를 자극하고 신경 학적 및 정신과 질환을 치료하는 비 침습적 방법으로 광범위하게 테스트되고 있습니다.
우리는 말초 신경, 즉 뇌 외부의 신경과 척수에 대한 FUS의 영향에 관심이 있습니다. 우리는 염증이나 신진 대사를 조절하는 복부에서 특정 신경을 활성화하면 증상을 치료하는 것이 아니라 관련 질병의 근본 원인을 해결하는 데 도움이 될 수 있다고 생각합니다.
염증을위한 퓨즈
염증은 우리가 많이 알고있는 것입니다. 2002 년에 케빈 트레이시현재 Feinstein Institutes의 사장 겸 CEO는 신경계와 면역계가 독립적으로 작동하고 뚜렷한 역할을 수행한다는 전통적인 지혜를 화나게했습니다. 그는 몸을 발견했다 염증 반사: 미주 신경과 비장의 신경을 통해 뇌와 신체 사이의 신호를 보내는 양방향 신경 회로. 이 신경은 방출을 제어합니다 사이토 카인이것은 염증을 유발하기 위해 면역 세포에 의해 방출 된 단백질이다. Tracey와 동료들은이 신경 회로에서 신경을 자극하는 것이 염증 반응을 억제한다는 것을 발견했습니다. 이 발견은 만성 염증을 치료하기 위해 전기 신경 조절 장치의 첫 번째 임상 시험으로 이어졌다.
면역 체계 해킹
Tracey는 염증을 치료하는 선구자였습니다 미주 신경 자극 미주 신경의 전기 자극이 비장에서 뉴런을 활성화시키는 (VNS). 동물과 인간에서 VNS는 관절염과 같은 만성 질환과 패혈증과 같은 급성 질환에서 유해한 염증을 감소시키는 것으로 나타났습니다. 그러나 직접 VN은 신체에 임플란트를 놓기 위해 수술이 필요하므로 환자에게 위험하고 비싸게됩니다. 그렇기 때문에 우리는 비장의 비 침습적 초음파 자극을 추구했습니다.
Collaborators의 Tracey와 협력합니다 GE 연구그리고 다른 사람들, 우리는 먼저 설치류를 실험하여 비장의 초음파 자극을 보여줍니다. 항 염증 경로에 영향을 미칩니다VNS와 마찬가지로 VNS 임플란트만큼 사이토 카인 생산을 줄입니다. 우리는 그때 인간 최초의 재판을 실시했습니다 염증을 조절하기위한 FUS.
우리는 처음에 60 명의 건강한 사람들을 등록했으며, 그 중 어느 누구도 만성 염증의 징후가 없었습니다. 3 분 초음파 처리의 효과를 테스트하기 위해 분자의 양을 측정했습니다. 종양 괴사 인자 (TNF)는 백혈구가 인식 된 병원체에 대해 작용할 때 방출되는 염증의 바이오 마커입니다. 연구가 시작될 때, 40 명이 초음파 자극을 받았으며, 대조군 역할을하는 20 명의 다른 사람들은 단순히 비장을 초음파에 의해 이미지화했습니다. 그러나 초기 데이터를 보았을 때 모든 사람 더 낮은 수준의 TNF, 심지어 대조군도 가졌다. 몇 분 동안 초음파를 사용한 영상화조차도 적당한 항 염증 효과가있는 것 같습니다! 적절한 통제 그룹을 얻기 위해, 우리는 연구를 위해 10 명을 더 모집하고 다른 가짜 실험을 고안해야했습니다. 이번에는 초음파 기계를 분리했습니다.
피험자들이 실제 또는 가짜 자극을받은 후, 우리는 그들 모두에서 혈액 샘플을 가져 갔다. 다음으로 테스트 튜브의 혈액에 박테리아 독소를 첨가하여 감염을 시뮬레이션 한 다음 독소와 싸우기 위해 백혈구에 의해 방출 된 TNF의 양을 측정했습니다. 결과, 우리 게시 저널에서 뇌 자극 2023 년에 FUS 치료를받은 사람들은 실제 대조군보다 TNF 수준이 낮다는 것을 보여주었습니다. 우리는 초음파의 문제가없는 부작용을 보지 못했습니다. 치료는 심박수, 혈압 또는 우리가 확인한 다른 많은 바이오 마커에 부정적인 영향을 미치지 않았습니다.
결과는 또한 24 시간 후에 혈액 무승부 및 실험을 반복했을 때 처리 그룹의 TNF 수준이 기준선으로 돌아 왔음을 보여 주었다. 이 발견은 FUS가 염증성 질환의 치료 옵션이되면 사람들은 정기적으로, 아마도 매일 치료를 요구할 수 있음을 시사합니다.
놀라운 결과 중 하나는 우리가 타겟팅 한 비장 내의 위치가 중요하지 않은 것처럼 보였습니다. 우리가 시도한 위치는 비슷한 결과를 낳았습니다. 우리의 가설은 비장 내에서 모든 표적을 치면 유익한 효과를 생성하기에 충분한 신경을 활성화 시킨다는 것입니다. 또한, 우리가 사용한 에너지 강도는 중요하지 않았습니다. 우리는 cm 당 약 10 ~ 200mW 범위의 강도를 시도했습니다.2초음파 영상에 사용되는 강도 범위 내에서; 놀랍게도, 가장 낮은 강도 수준조차도 피험자의 TNF 수준이 감소하게되었습니다.
최초의 인간 연구에서 우리의 큰 테이크 아웃은 FUS로 비장을 목표로하는 것이 단순한 치료법 일뿐 만 아니라 염증성 질환의 게임 체인지가 될 수 있다는 것입니다. 우리의 다음 단계는 FU가 염증 반응에 영향을 미치는 메커니즘을 조사하고 더 많은 동물 및 인간 연구를 수행하여 비장에 FUS의 장기간 투여가 만성 염증성 질환을 치료할 수 있는지 여부를 확인하는 것입니다.
비만과 당뇨병에 대한 퓨즈
FU에 대한 많은 연구를 위해 우리는 모회사가 세계 최고의 초음파 장비 제조업체 중 하나 인 GE Research와 파트너 관계를 맺었습니다. 우리의 첫 번째 프로젝트 중 하나는 함께 FUS의 잠재력을 자주 비만에 수반하는 광범위한 염증에 대한 치료로서 FUS의 잠재력을 탐구했습니다. 8 억 8 천만 명 전 세계. ~ 안에 이 연구우리는 실험실 마우스에게 고 칼로리와 고지방“서양식 다이어트”를 8 주 동안 공급했습니다. 다음 8 주 동안, 그들 중 절반은 초음파 자극을 받았고 나머지 절반은 매일 가짜 자극을 받았다. 우리는 FUS를받은 마우스가 더 낮은 수준의 사이토 카인을 가졌다는 것을 발견했습니다. 놀랍게도 그 마우스도 더 적게 먹었고 체중이 줄었습니다.
GE 동료와의 관련 작업에서 우리는 FUS의 잠재력을 당뇨병 치료이제 영향을 미칩니다 830 만 명 전 세계. 건강한 인체에서 간은 포도당을 예비금으로 저장하고 혈류의 포도당 수치가 떨어 졌을 때만 방출됩니다. 그러나 당뇨병 환자의 경우,이 감지 시스템은 기능 장애가 있으며, 간은 이미 혈중 수준이 높을 때에도 포도당을 방출하여 많은 건강 문제를 야기합니다.
대사 시스템 해킹
당뇨병의 경우, 우리의 초음파 표적은 간과 뇌 사이에 신호를 전달하는 신경의 네트워크였습니다. 구체적으로, 포도당 감지 뉴런 간 포르타본질적으로 간 게이트웨이입니다. 우리는 40 일 동안 당뇨병 래트를 일일 3 분 일일 초음파 자극을 주었다. 며칠 만에, 처리는 쥐의 포도당 수준을 위험하게 높은 곳에서 정상 범위로 내렸다. 우리는 생쥐와 돼지에서 비슷한 결과를 얻었습니다 이 흥미로운 결과를 게시했습니다 2022 년에 자연 생체 의학 공학.
이러한 당뇨병 실험은 왜 초음파 가이 효과를 가져 왔는지에 대해 약간의 빛을 비췄습니다. 우리는 시상 하부신진 대사, 일주기 리듬 및 체온을 포함한 많은 중요한 자동 신체 기능을 제어합니다. GE Research의 동료들은 간에서 시상 하부로 이동하는 신경 신호를 차단하여 두 가지 다른 방식으로 신경을 자르고 국소 마취제를 사용하여이를 조사하기 시작했습니다. 우리가 FUS를 적용했을 때, 우리는 포도당 수준의 유익한 감소를 보지 못했습니다. 이 결과는 초음파 처리가 간에서 뇌로 이동하는 포도당 감지 신호를 변화 시켜서 작동한다는 것을 시사합니다. 이는 시상 하부 문제를 TH의 대사 시스템으로 변경합니다. e 신체, 본질적으로 포도당 수치를 낮추십시오.
이 연구의 다음 단계는 기술 개발과 임상 시험이 모두 포함됩니다. 현재 FUS를 관리하려면 초음파 이미지를보고, 목표를 찾아, 자극을 유발하는 소노 그래퍼와 함께 기술 전문 지식이 필요합니다. 그러나 FUS가 만성 질환에 대한 실제 치료법이 되려면 누구나 사용할 수있게하고 재택 시스템으로 사용할 수 있어야합니다. 초음파 이미징을 사용하여 해부학 적 목표를 자동으로 찾은 다음 퓨즈 용량을 전달하는 웨어러블 장치 일 수 있습니다. 그러나 우리가 그 시점에 도달하기 전에, FUS 치료는 비만과 당뇨병 환자를위한 무작위 대조 시험에서 임상 적으로 테스트해야합니다. 최근 GE Healthcare 파트너 Novo Nordisk와 함께이 분야에서 FUS의 임상 및 제품 개발 작업을 수행합니다.
심폐 질환의 퓨즈
FUS는 또한 만성 심혈관 질환에 도움이 될 수 있으며, 그 중 다수는 면역 기능 장애 및 염증과 관련이 있습니다. 우리는 호출되는 장애로 시작했습니다 폐동맥 고혈압폐 내 동맥의 혈압이 증가하는 드물지만 치료할 수없는 질병. 우리의 연구가 시작될 때, 폐 동맥 주위의 염증이 질병의 원인인지 부산물인지, 염증을 표적화하는 것이 실행 가능한 치료인지 여부는 확실하지 않았습니다. 우리 그룹은 염증 관련 염증을 줄이기 위해 비장의 FUS를 처음 시도한 사람이었습니다. 폐 고혈압 쥐에서.
그만큼 결과작년에 출판 된 것은 매우 고무적이었습니다. 우리는 12 분 동안 FUS 세션이 실험 그룹의 동물에서 폐 압력을 감소시키고 심장 기능을 개선하며 폐 자극을받은 동물에 비해 폐 염증 감소를 발견했습니다. 또한, FUS를받은 동물에서는 실험이 종료 된 후에도 질병의 진행이 크게 느려져서이 치료가 지속적인 효과를 제공 할 수 있음을 시사합니다.
어느 날 AI 시스템은 웨어러블 장치를 신체에 배치하고 자극을 유발할 때 가정에서 사용자를 안내 할 수 있습니다.
이 연구는 우리가 아는 한, 첫 번째 심폐 질환에 대한 초음파 기반 요법을 성공적으로 입증 한 것입니다. 그리고 우리는 그것에 구축하기를 간절히 원합니다. 우리는 다음으로 FUS가 울혈 성 심부전에 도움이 될 수 있는지 연구하는 데 관심이 있습니다. 심장이 신체의 필요를 충족시키기에 충분한 혈액을 펌핑 할 수없는 상태입니다. 미국에서만, 그 이상 6 백만 명 심부전으로 살고 있으며, 그 수는 2030 년까지 8 백만을 능가 할 수 있습니다. 우리는 염증이 심장의 근육 세포를 손상시키고 탄력을 줄임으로써 심부전에 중요한 역할을한다는 것을 알고 있습니다. 우리는 조건으로 마우스에서 비장의 FUS를 테스트 할 계획입니다. 이러한 검사가 성공하면 인간의 임상 시험으로 이동할 수 있습니다.
초음파 자극의 미래
우리는 실험실에서 클리닉으로 이러한 결과를 가져 오는 방법에 대한 큰 장점이 있습니다. 초음파의 기본 하드웨어는 이미 존재하며 이미 FDA가 승인되었으며 수십 년 동안 사용함에 따라 별 안전 기록이 있습니다. GE의 공동 작업자는 이미 FUS 처리에 사용될 수 있도록 이미징에 사용되는 일반적인 초음파 장치를 수정하는 것을 실험했습니다.
임상 사용을 위해 FUS를 최적화하는 시점에 도달하면 최상의 신경 변조 매개 변수를 결정해야합니다. 예를 들어, 올바른 음향 파장 및 주파수는 무엇입니까? 초음파 영상화는 일반적으로 FUS보다 높은 주파수를 사용하지만 인간 조직은 더 낮은 주파수보다 높은 주파수에서 더 많은 음향 에너지를 흡수합니다. 따라서 많은 양의 FU를 제공하기 위해 연구원들은 광범위한 주파수를 탐색하고 있습니다. 또한 초음파 에너지를 전송하여 단일 펄스를 구성하는 데 얼마나 오래, 사용할 펄스 속도 및 처리 시간에 대해서도 생각해야합니다.
또한 치료의 유익한 효과가 얼마나 오래 지속되는지 결정해야합니다. 연구자들이 탐구하고있는 질병 중 일부는 만성 통증을 치료하는 뇌의 퓨즈환자는 복용량으로 3 개월마다 한 번씩 의사 사무실에 갈 수 있습니다. 그러나 염증과 관련된 질병의 경우, 주당 정기적 인 몇 차례의 주일 요법이 가장 효과적으로 입증 될 수 있으며, 이는 가정에서 치료가 필요합니다.
가정용으로 가능한 경우 웨어러블 장치는 초음파 이미징을 통해 대상을 자동으로 찾아야합니다. 간, 비장 및 기타 기관의 인간 초음파 이미지가 이미 존재하기 때문에 대상을 자동으로 실시간으로 감지하기 위해 기계 학습 알고리즘을 훈련시키는 것이 가능해 보입니다. 어느 날 AI 시스템은 웨어러블 장치를 신체에 배치하고 자극을 유발할 때 가정에서 사용자를 안내 할 수 있습니다. 몇몇 신생 기업은 벨트 나 조끼의 형태를 취할 수있는 웨어러블 장치를 구축하기 위해 노력하고 있습니다. 예를 들어, 회사 2 파 시스템미니애폴리스에있는 미네소타 대학교와 파트너 관계를 맺은 것은 이미 작은 것을 수행했습니다. 파일럿 연구 웨어러스 장치 중 류마티스 관절염을 앓고있는 13 명의 사람들에게 시도하고 긍정적 인 결과를 보았습니다.
FUS 치료가 임상 사용으로 승인되기까지 몇 년이 지날 것이고, 웨어러블 장치가 가정 용도로 충분히 안전한 것으로 입증되기 위해서는 여전히 훨씬 더 유망한 것으로 보입니다. 우리는 FUS 및 기타 형태의 생체 전자 의학이 인간 건강에 새로운 패러다임을 제공한다고 믿습니다.