KR20240068743A

KR20240068743A - 신경 조절을 이용한 후기 반응 유전자의 활성화

Info

Publication number: KR20240068743A
Application number: KR1020247014307A
Authority: KR
Inventors: 크리스토퍼 마이클 퓰레오; 빅토리아 유제니아 코테로
Original assignee: 쥐이 프리시즌 헬스케어 엘엘씨
Priority date: 2021-10-13
Filing date: 2022-10-12
Publication date: 2024-05-17
Also published as: CN118159337A; CA3234912A1; WO2023064386A1; AU2022367228A1

Abstract

본 개시는 에너지 항상성을 조절하는 다수의 말초 신경 경로를 비침습적으로 자극하기 위한 치료용 초음파의 용도에 관한 것이다. 개시된 신경 조절 기술의 실시예는 대사 장애를 가진 환자를 치료하기 위한 신경 조절 기술을 포함한다. 본 개시의 특정 실시예는 혈당 조절의 맥락에서 논의된다.

Description

신경 조절을 이용한 후기 반응 유전자의 활성화

본원에 개시된 주제는 신경 조절에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 다수의 말초 신경 경로를 비침습적으로 자극하기 위한 초음파의 치료적 사용이 에너지 항상성을 조절하기 위해 사용될 수 있는 기술에 관한 것이다. 개시된 신경 조절 기술의 실시예는 대사 장애를 가진 환자를 치료하기 위한 신경 조절 기술을 포함한다. 본 개시의 특정 실시예는 혈당 조절의 맥락에서 논의된다.

제2형 당뇨병(T2D)은 전 세계적으로 흔하고 비용이 많이 드는 질환이다. 상당한 제약 혁신에도 불구하고 T2D는 여전히 고혈당증을 일시적으로 개선하는 항당뇨병제의 빈번한 투여를 통해 관리되고 있으며, 종종 용량 증량 및 다른 약물과의 병용 요법을 필요로 한다. 이로 인해 환자는 당뇨병성 신병증과 약물 유발 신독성의 조합으로 인한 혈관 및 신장 손상과 같은 동반 질환에 취약하다. 비만 수술과 같은 외과적 접근법은 T2D로부터 장기적인 관해를 제공하는 것으로 밝혀진 유일한 임상적 개입으로 남아 있다. 그러나 수술의 장기적인 영향의 기저에 있는 기전은 여전히 논란의 여지가 있으며 체중 감량에 부차적인 것으로 나타났다.

고혈당증의 장기 관해는 침습적 신경제약 접근법을 사용한 T2D 모델에서 입증되었다. 예를 들어, 재조합 섬유아세포 성장 인자 1(FGF1)을 사용한 단일 치료는 당뇨병 마우스와 랫트에서 몇 주에서 몇 달 동안 고혈당증의 관해를 유도하는 것으로 나타났다. 그러나 이 치료법은 제3 뇌실에 침습적 뇌실내(i.c.v.) 주사를 통해 투여할 때만 효과가 있는 것으로 입증되었는데, 이는 이러한 침습적 두개내 시술과 관련된 위험을 초래한다.

본 개시는 에너지 항상성을 조절하는 것으로 알려진 다수의 말초 신경 경로를 비침습적으로 자극하기 위한 치료용 초음파의 용도에 관한 것이다. 특정 실시예에서, 간문맥 및 상장간막 신경총 둘 모두가 자극되는 단일 초음파 처리 세션은 동물 모델(예를 들어, 제2형 당뇨병(T2D)의 주커 당뇨병 지방(Zucker Diabetic Fatty, ZDF) 및 식이-유발 비만(DIO) 설치류 모델)에서 지속적인 당뇨병 관해를 유도하는 것으로 관찰되었다. 초음파 처리의 항당뇨병 효과는 체중 감량에 부차적인 것이 아니며 초음파 노출에 대한 현재 규제 한계에 해당하는 초음파 펄스를 사용하여 달성된다. 이에 따라 비침습적 초음파 신경 조절은 비침습적이고 임상적으로 관련된 접근법을 사용하여 신경대사 경로를 조절하고 당뇨병 관해를 유도할 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 여겨진다.

추가적인 정교화에 의해, 그리고 본원에서 논의되는 바와 같이, 식별된 조직(예를 들어, 말초 신경 경로)의 자극이 특정 세포의 원형질막 또는 핵막에서 막 분극의 지속적인 변화를 유도하기 위해 충분한 시간 동안 수행된다. 이러한 변화는 지속적인 치료적 변화로 이어지는데, 설명된 예에서 이는 시상하부의 신경 조직의 변화이다.

예를 들어, 특정 구현예에서, 시상하부에서 후기 반응 유전자를 활성화시키는 데 효과적인 기간 동안 표적 조직(예를 들어, 간문맥 신경총 및/또는 상장간막 신경총)으로 에너지가 유도된다. 특히, 세포 내에서 이온 채널 활성화는 후기 반응 유전자의 활성화를 유발하는 데 효과적인 기간 동안 조기 발현 유전자(Immediate early gene)의 지속적인 발현을 초래한다.

일 실시예에서, 치료 방법이 제공된다. 이러한 실시예에 따르면, 대상체의 조직은 대상체에서 후기 반응 유전자를 활성화시키는 데 효과적인 기간 동안 비침습적으로 자극된다. 후기 반응 유전자의 활성화는 에너지 항상성에 영향을 미치는 유전자 발현 산물의 발현을 유발한다.

추가 실시예에서, 다중 부위 신경 조절 치료 방법이 제공된다. 이러한 실시예에 따르면, 비침습적 다중 부위 신경 조절은 하나 이상의 말초 신경 경로를 조절하기 위해 적용된다. 말초 신경 경로는 서로 통신하거나 중추 신경계의 통합 뉴런 또는 세포와 통신한다. 다중 부위 신경 조절은 에너지 항상성에 영향을 미치는 유전자 발현 산물의 발현을 유발하는 후기 반응 유전자의 활성화를 유발한다.

추가 실시예에서, 신경 민감도를 변화시키기 위한 방법이 제공된다. 이 방법에 따라, 하나 이상의 말초 신경 경로가 신경 조절된다. 조직을 신경 조절하는 행위는 이온 채널의 TRP 계열에서 선택된 이온 채널의 활성화를 포함한다.

추가 실시예에서, 대상체에서 대사 장애를 치료하기 위한 시스템이 제공된다. 이 실시예에 따르면, 시스템은 대상체의 조직을 비침습적으로 표적화하도록 구성된 적어도 하나의 초음파 변환기를 포함하는 에너지 인가 장치 및 적어도 하나의 초음파 변환기에 연결되어 대상체에서 후기 반응 유전자를 활성화시키고 대사 장애를 치료하거나 완화시키는 데 효과적인 기간 동안 적어도 하나의 초음파 변환기를 사용하여 조직을 자극하도록 구성된 펄스 발생기를 포함한다.

본 발명의 이들 및 다른 특징부들, 태양들 및 이점들은 첨부 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명을 읽을 때 더 잘 이해될 것이며, 첨부 도면에서 유사한 부호들은 도면 전체에 걸쳐서 유사한 부분들을 표현한다.
도 1은 뉴로펩티드 Y(NPY) 신경 경로 및 프로오피오멜라노코르틴(POMC) 신경 경로를 나타낸다.
도 2a는 간문맥 신경총의 해부학적 위치를 나타낸다.
도 2b는 상장간막 신경총의 해부학적 위치를 나타낸다.
도 3은 간(즉, 간문맥 신경총)과 GI(즉, 상장간막 신경총) 모두의 이중 부위 말초 집중 초음파 자극(peripheral focused ultrasound stimulation, pFUS)이 단일 부위 치료(즉, 간 또는 위장 자극 단독) 또는 모의 대조군에 비해 평균 일일 혈당 측정치를 감소시켰음을 나타낸다.
도 4는 pFUS 처리된 동물에서 개선된 글루코스 조절이 인슐린의 분비 증가와 연관되지 않고, 오히려 인슐린에 더 민감한 표현형의 회복과 연관되어 있음을 보여주는 HOMA-IR 값을 나타낸다.
도 5는 pFUS 처리된 동물에서 개선된 글루코스 조절이 인슐린의 분비 증가와 연관되지 않고, 오히려 인슐린에 더 민감한 표현형의 회복과 연관되어 있음을 보여주는 HOMA-B 값을 나타낸다.
도 6은 pFUS 처리된 동물에서 개선된 글루코스 조절이 인슐린의 분비 증가와 연관되지 않고, 오히려 인슐린에 더 민감한 표현형의 회복과 연관되어 있음을 보여주기 위한 평균 인슐린 값을 나타낸다.
도 7은 이중 부위 pFUS의 글루코스 저하 효과를 메트포르민과 비교한 것이다.
도 8은 이중 부위 pFUS와 리라글루티드의 글루코스 저하 효과를 비교한 것이다.
도 9는 모의 대조군과 비교하여 처리된 코호트에서 체중 증가에 대한 일시적 또는 둔화 효과가 있었지만, 이 효과는 오래 가지 못했고 고혈당증의 지속적인 개선을 설명하지 못했음을 나타낸다.
도 10은 초음파 처리 시간을 증가시키자 고혈당증 관해의 지속 시간이 증가하였음을 나타낸다.
도 11은 당뇨병 관해 및 예방에 대한 단일 pFUS 처리의 효과를 나타낸다.
도 12는 DIO 동물에서 전체 61일의 실험에 대해 관해가 지속되었음을 나타낸다.
도 13은 운동 쳇바퀴에 접근할 수 있는 코호트와 그렇지 않은 코호트에 대해 수행된 자극의 효과를 나타낸다.
도 14는 운동 쳇바퀴에 접근할 수 있는 코호트와 그렇지 않은 코호트에 대해 수행된 자극의 효과를 나타내며, 일치하는 쳇바퀴 접근이 있는 모의 대조군과 비교한 것이다.
도 15는 시간 경과에 따른 모의 및 이중 부위 자극에 대한 pERK의 관찰 값을 나타낸다.
도 16은 모의, 단일 부위 및 이중 부위 자극에 대한 pERK의 관찰 값을 나타낸다.
도 17은 모의, 단일 부위 및 이중 부위 자극에 대한 NPY의 관찰 값을 나타낸다.
도 18은 모의, 단일 부위 및 이중 부위 자극에 대한 POMC의 관찰 값을 나타낸다.
도 19는 시간 경과에 따른 모의, 단일 부위 및 이중 부위 자극에 대한 pERK의 관찰 값을 나타낸다.
도 20은 시간 경과에 따른 모의, 단일 부위 및 이중 부위 자극에 대한 NPY의 관찰 값을 나타낸다.
도 21은 시간 경과에 따른 모의, 단일 부위 및 이중 부위 자극에 대한 POMC의 관찰 값을 나타낸다.
도 22는 시간 경과에 따른 모의 및 이중 부위 자극에 대한 NPY의 관찰 값을 나타낸다.
도 23은 시간 경과에 따른 모의 및 이중 부위 자극에 대한 POMC의 관찰 값을 나타낸다.
도 24는 순환 호르몬 농도에 대한 단일 대 이중 부위 pFUS 처리의 효과를 나타낸다.
도 25는 시간 경과에 따른 모의, 단일 부위 및 이중 부위 자극에 대한 FGF1의 관찰 값을 나타낸다.
도 26은 모의, 단일 부위 및 이중 부위 자극에 대한 FGF1의 관찰 값을 나타낸다.
도 27은 pFUS 자극 전후의 DRG 뉴런 세포의 명시야 및 형광 이미지를 포착하는 데 사용되는 3D 시험관 내 말초 뉴런 배양 시스템 및 실험 설정의 개략도를 나타낸다.
도 28은 pFUS 자극 동안 칼슘(Ca2+) 이미징의 타임 랩스를 보여주는 줌인 형광 이미지를 나타낸다.
도 29는 DRG 뉴런의 pFUS 여기가 Ca2+ 의존성 형광(F)의 변화를 유도했음을 나타낸다.
도 30은 다중 이온 채널 차단제를 이용한 초음파 자극 전/후 관찰된 형광 변화를 나타낸다.
도 31은 TRPA1 차단이 혈당 수준을 낮추는 pFUS 처리의 능력을 파괴함을 나타낸다.
도 32는 본 개시의 실시예에 따른 펄스 발생기를 이용한 신경 조절 시스템의 개략적인 표현이다.
도 33은 본 개시의 실시예에 따른 신경 조절 시스템의 블록도이다.

하나 이상의 특정 실시예들이 하기에 기술될 것이다. 이러한 실시예들에 대한 간결한 설명을 제공하기 위한 노력으로, 실제 구현예의 모든 특징부들이 본 명세서에 기술되지는 않는다. 임의의 엔지니어링 또는 설계 프로젝트에서와 같은 임의의 그러한 실제 구현예의 개발에 있어서, 구현예마다 다를 수 있는 시스템 관련 및 사업 관련 제약들의 규정 준수와 같은 개발자들의 특정 목적들을 달성하기 위해 수많은 구현예 특정 결정들이 이루어져야 한다는 것이 이해될 것이다. 더욱이, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고, 본 발명의 이익을 갖는 당업자들에 대해 설계, 제조, 및 제작의 일상적인 일일 것이라는 것이 이해될 것이다.

본원에 제공된 임의의 예 또는 예시는 어떠한 방식으로든 이들이 사용되는 임의의 용어 또는 용어들에 대한 제한, 한계 또는 명시적인 정의로 간주되어서는 안 된다. 대신에, 이러한 예 또는 예시는 다양한 특정 실시예와 관련하여 설명되는 것으로 간주되어야 하며, 단지 예시적인 것으로만 간주되어야 한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 이러한 예 또는 예시가 사용되는 임의의 용어 또는 용어들이 본 명세서 또는 명세서의 다른 곳에서 주어질 수도 있고 주어지지 않을 수도 있는 다른 실시예들을 포함할 것이며, 이러한 모든 실시예들은 해당 용어 또는 용어들의 범위 내에 포함되도록 의도된다는 것을 이해할 것이다. 이러한 비제한적인 예 및 예시를 지칭하는 언어는 "예를 들어", "예를 들면", "예컨대", "이를테면", "포함하는", "특정 실시예에서", "일부 실시예에서" 및 "하나의 (한) 실시예에서"를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

다음 논의 및 예에 대한 검토를 용이하게 하기 위해 다음 정의가 제공되지만 논의 전반에 걸쳐 필요에 따라 다른 정의가 개입되거나 추가될 수 있음이 제공되어야 한다. 본원에서 사용되는 "조직"은 다세포 유기체에 속하며, 조직과 관련된 특정 기능을 함께 수행하는 조직화된 군집 또는 세포의 집합체와 관련된다. 이에 상응하여, 주어진 유기체 내에서 조직의 특정 역할은 조직에 포함된 세포의 유형(들)에 따라 달라진다. "조기 발현 유전자"(IEG)는 다양한 세포 자극에 반응하는 것과 같이 일시적이고 빠르게 활성화되는 유전자로 이해될 수 있다. 이러한 IEG는 새로운 단백질이 합성되기 전과 같이 주어진 자극에 대한 반응의 초기 또는 첫 번째 순서로서 (전사 수준에서) 활성화될 수 있는 정해진 반응 기전으로 간주될 수 있다. 반대로, "후기 반응 유전자"는 초기 반응 유전자 산물의 합성 후에만 활성화되며, 현재 맥락에서 신경 기능의 장기적인 변화와 관련될 수 있다. 특히, 현재의 맥락에서 후기 반응 유전자는 새로운 mRNA 및 단백질의 합성을 필요로 하거나 연관되는, 장기적 가소성(예를 들어, 시냅스 기능의 장기적 변화)과 연관될 수 있다. 본원에서 추가로 사용되는 바와 같이, "이온 채널"은 원형질막에서 발견되는 특화된 단백질이다. 이러한 이온 채널은 하전된 이온이 원형질막을 통과하여 전기화학적 구배를 따라 내려가는 통로 역할을 한다.

재조합 섬유아세포 성장 인자 1(FGF1)을 사용한 단일 치료가 당뇨병 마우스와 랫트에서 몇 주에서 몇 달 동안 고혈당증의 관해를 유도하는 것으로 관찰된 침습적 신경제약 접근법을 사용하여 제2형 당뇨병(T2D) 모델에서 고혈당증의 장기 관해가 입증되었다. 그러나 이 치료법은 제3 뇌실에 대한 침습적 뇌실내(i.c.v.) 주사를 통한 적용을 수반하는데, 이는 이러한 침습적 두개내 시술과 관련된 위험을 초래한다. 기계론적으로, 이 치료법은 시상하부의 아치형 핵 내의 뉴런을 조절하는 것으로 여겨진다. 기저 시상하부 핵은 대사 호르몬, 영양소 및 구심성 뉴런의 신호를 통합하고 에너지 항상성을 유지하기 위해 적절한 대사 반응을 조정하는 것으로 알려져 있다.

전술한 내용을 염두에 두고, 현재 개시된 기술들은 시상하부 대사 핵과 소통하는 구심성 말초 신경 경로의 물리적 신경 조절(예를 들어, 신경 자극)을 사용하여 고혈당으로부터의 장기 관해가 유도될 수 있음을 입증한다. 이러한 접근법의 특정 구현예는 말초 신경 경로의 활성을 조절하기 위해 집중 펄스 초음파 자극(말초 집중 초음파 자극(pFUS)이라는 기술)의 사용을 기반으로 한다. 전기 및 임플란트 기반 신경 자극과 달리 초음파 기반 말초 신경 자극은 비침습적이며 이미지 표적화될 수 있으므로 특정 해부학적 위치 및 기능과 관련된 뉴런 또는 신경 내분비 세포의 정밀 자극이 가능하다.

주목할 점은, 본원에서 논의된 바와 같이, 그리고 작용의 기저에 있는 기전과 관련하여, 특정 실시예에서 특정 초음파 파라미터(예를 들어, 치료의 길이 또는 지속 기간, 총 전달된 용량 등)는 후기 반응 유전자, 즉 FGF1 생산과 관련된 유전자의 활성화를 유도하고, 신경 경로에 대한 장기적인 치료적 변화를 유도한다. 이는 본원에 기재된 당뇨병 동물 모델에서 관찰되는 장기적인 당뇨병 관해의 원인이 되는 기전으로 여겨진다. 추가적인 정교화에 의해, 그리고 본원에서 논의되는 바와 같이, 식별된 조직(예를 들어, 말초 신경 경로)의 자극이 특정 세포의 원형질막 또는 핵막에서 막 분극의 지속적인 변화를 유도하기 위해 충분한 시간 동안 수행된다. 이러한 변화는 지속적인 치료적 변화로 이어지는데, 설명된 예에서 이는 시상하부의 신경 조직의 변화이다. 특정 구현예에서, 시상하부에서 후기 반응 유전자(예를 들어, FGF1 유전자)를 활성화시키는 데 효과적인 기간 동안 표적 조직(예를 들어, 간문맥 신경총 및/또는 상장간막 신경총)으로 에너지가 유도된다. 특히, 세포 내에서 이온 채널 활성화는 문제의 후기 반응 유전자의 활성화를 가져오는 조기 발현 유전자의 지속적인 발현을 초래한다.

본원에서 논의되는 실시예에서, 신경 조절 기술은 생리학적 제어 경로의 상이한 부분들을 표적화하기 위해 2개 이상의 상이한 관심 영역에서의 신경 조절 처리를 포함한다. 이러한 기술의 실시예에서, 제1 부위에서의 신경 조절은 환자의 제2 또는 상이한 부위 또는 상이한 부위들에서의 신경 조절을 강화하거나 그렇지 않으면 이와 함께 작용하도록 사용될 수 있다. 따라서, 이러한 강화는 대사 경로 조절에서 예상치 못한 결과를 달성할 수 있다.

본원에서 논의된 바와 같이, 초음파는 장기 내 및 그 주변의 말초 신경장(원심성 및 구심성 신경장 모두)을 자극할 수 있다. 본원에서, 일 실시예에서, 유전적 지방 당뇨병 주커(ZDF) 설치류 모델에서도, 제2형 당뇨병의 장기 관해를 제공하는 예상치 못한 결과를 초래하는 초음파 처리의 항-당뇨병 효과를 개선하기 위한 기술들이 제공된다. 일 실시예에서, 상기 기술은 감각장의 초음파 신경 조절(즉, 상행 글루코스 센서 구심성 경로의 간/간문맥 신경총 신경 조절) 및 위장관으로부터의 신경내분비장의 초음파 신경 조절(즉, 글루카곤 유사 펩티드(GLP) 분비 및 관련 호르몬 및 구심성 경로의 자극)을 모두 사용하는 시상하부 대사 제어 센터의 이중 자극 처리를 포함한다. 일 실시예에서, 신경 조절 기술은 신경 조절 에너지를 위한 표적으로서 상부 장간막 신경총, 하부 장간막 신경총, 및/또는 위의 기저부를 표적화하는 것을 포함한다.

신경 조절 기술의 개시된 부분들은 동시에 투여될 수 있거나, 다중 부위 처리(예를 들어, 이중 부위)의 상이한 부분들의 시간-분리 투여를 수반할 수 있다. 일 실시예에서, 상이한 표적 영역들(즉, 이중 부위들)은 서로 30분 이내에 또는 서로 60분 이내에 신경 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 상이한 표적 영역들은 적어도 5분 간격으로 신경 조절될 수 있다. 본원에는 다중 부위 시너지 효과를 가능하게 하는 간 대 위장관의 시간-분리 신경 조절을 제공하는 다중 부위 자극 사이의 예시적인 시점들이 제공된다. 신경 조절 처리는 다중 부위 신경 조절의 첫 번째 에너지 인가에 의해 야기되는 글루코스 동역학에 맞추어 조정될 수 있다. 다중 부위 신경 조절의 다른 부분은 단일 환자 방문에서 함께 투여되는 치료의 일부일 수 있다.

다중 부위(예를 들어, 이중 부위) 신경 조절 기술은 상이한 날, 주, 또는 월에 투여되는 다수의 신경 조절을 포함하는 환자의 치료 요법의 일부일 수 있음을 이해해야 한다. 본원에 개시된 바와 같은 다중 부위 신경 조절은 환자의 진행 또는 임상적 상태에 기초하여 치료 요법의 과정에 걸쳐 변형 또는 조정될 수 있다. 조정에는 에너지 인가 파라미터 또는 기타 관련 처리 파라미터 조정이 포함될 수 있다.

다중 부위 신경 조절 기술의 예상치 못한 효과에는 당뇨병 동물 모델에서의 장기 관해가 포함된다. 또한 초음파 기반 신경 조절을 통한 신경 경로의 후기 반응 유전자 활성화와 신경 경로의 치료 자극을 통한 질환(예를 들어, 대사 질환)의 장기 관해 확립 등의 예상치 못한 효과도 있다. 이러한 후기 반응 유전자의 활성화는, 후기 반응 유전자의 활성화 이전에, 후기 반응 유전자를 활성화시키기에 충분한 지속 기간(즉, 유효 지속 기간) 동안 조기 발현 유전자의 지속적인 발현을 추가로 포함할 수 있다.

이러한 맥락을 염두에 두고, 본원에서 논의된 바와 같이, 특정 실시예에서, 다수의 신경대사 부위(예를 들어, 각 치료 세션 동안 (예를 들어, 다른 부위에서의 치료 사이에 1분 내지 60분, 1분 내지 45분, 1분 내지 30분, 1분 내지 15분, 1분 내지 10분, 또는 30초 내지 5분 간격으로) 연속적으로 자극된 2개의 분리된 말초 부위)에서의 말초 집중 초음파 자극(pFUS) 치료의 조합된 효과가 사용된다. 추가적인 배경과 맥락을 통해 대사 항상성을 조절하는 두 가지 신경 유형, 즉 뉴로펩티드 Y(NPY) 뉴런과 프로오피오멜라노코르틴(POMC) 뉴런이 확인되었다. NPY 신경 경로의 활성화는 식욕유발 경로와 관련이 있으며 대사 수준에서 에너지 소비를 감소시킨다. 반대로, POMC 신경 경로의 활성화는 식욕억제 경로와 관련이 있으며 대사 수준에서 에너지 소비를 증가시킨다. 이 두 가지 시상하부 뉴런 유형 사이의 상호 작용은 대사 시스템을 조절한다. 본원에서 논의된 바와 같이, 간 감각 경로의 활성화는 NPY 뉴런을 억제한다(즉, 기관에서의 에너지 소비를 감소시키는 경로를 억제한다). 반대로, 장 감각 경로의 활성화는 POMC 뉴런을 활성화한다(즉, 기관에서의 에너지 소비를 증가시키는 경로를 자극한다). 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 그리고 본원에서 보다 상세히 논의된 바와 같이, 특정 실시예에 따르면, 초음파 간 자극(20)은 NPY 뉴런 활성을 감소시키는 반면, 초음파 장 자극(30)은 POMC 뉴런 활성을 증가시킨다. 이러한 맥락을 염두에 두고, 본원에서 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 특정 구현예들에서, 도시된 바와 같이 NPY 뉴런 및 POMC 뉴런에 대응하는 뇌(및 제3 뇌실을 둘러싼 뉴런)로의 다수의 위로 향하는 구심성 경로에 대해 정밀 초음파 자극을 수행하였다.

또한, 본원에서 논의되는 바와 같이, FGF1 유전자(즉, FGF1을 암호화하는 유전자)는 구심성 뉴런(아치형 핵 및 시상하부 내의 대사 조절 중추에서 종결됨)의 구성적/장기 지속성 자극에 의해 활성화되는 후기 반응 유전자이다. 본원에서 논의되는 바와 같이, 이러한 후기 반응 유전자의 활성화는 후기 반응 유전자를 활성화시키기 위해 충분한 지속 기간(즉, 유효 지속 기간) 동안 활성화 전 조기 발현 유전자를 포함할 수 있다. 따라서, 앞 구절에서 설명한 신경 조절은 이에 상응하여 이러한 후기 반응 유전자(즉, FGF1 유전자)를 활성화하여 단백질 키나아제 R(PKR)-유사 소포체 키나아제(pERK) 경로를 조절하고, 이에 따라 대사 항상성을 관장하는 이 뇌핵에 대한 인슐린 감지 및 글루코스 신호 전달을 복원하거나 개선하는 것으로 여겨진다. 특히, 뉴런에서, FGF 1 및 후기 반응 유전자 활성화는 염기 절제 복구 경로의 활성화, 활성 DNA 탈메틸화(즉, 후성유전학적 적응), 시냅스 전달 및 가소성의 개선과 관련이 있다. 특히 주목할 점은, 이들 경로들이 "뉴런 활성 의존적"일 수 있다는 것이 인식되어 왔음에도 불구하고, 본 개시는 이들 경로들이 치료 자극에 의해 활성화될 수 있고, 이러한 활성화는 자극의 부위(들)(해부학적 부위(들)) 및 지속 시간(예를 들어, 자극 30분 대 15분 또는 5분 후에 활성화됨) 둘 다에 의존한다는 것을 설명한다. 따라서, 본 개시는 당뇨병에서 휴면 신경 경로를 "재활성화"할 수 있고, 건강한 신경 대사 조절을 재확립할 수 있는 비침습적 기술이 있음을 설명한다.

전술한 바를 염두에 두고, 도 2a 및 도 2b는 본원에서 논의된 바와 같은 간문맥 신경총(도 2a: 간/간성 부위) 및 상장간막 신경총(도 2b: 위장관(GI) 부위)에서의 각각의 신경 조절 부위의 해부학적 위치를 도시한다. 각 간과 위장관 부위에는 영양소, 호르몬 및 대사 산물 센서가 포함되어 있으며 식후 영양 상태에 대한 정보를 시상하부에 전달한다.

본원에서 논의된 특정 연구를 수행하기 위해, T2D의 주커 당뇨병 지방(ZDF) 동물 모델이 초기 연구를 위해 선택되었다. 이 선택은 이전의 뇌실내 주사(i.c.v.)를 기반으로 했다. FGF1 연구는 여러 동물 모델에서 고혈당증으로부터의 수 개월 동안의 관해를 보였지만 ZDF 모델에서는 약 2주의 관해에 불과했다. ZDF 모델에서 i.c.v. FGF1은 또한 치료 전 중증 고혈당증(즉, 치료 전 혈당 >300 mg/dL)이 있는 동물에서 지속적인 치료 효과를 이끌어내지 못했는데, 이는 다른 T2D 모델에서는 발생하지 않는 ZDF 모델에서의 심각한 인슐린 저항성 발생과 인슐린 감수성의 점진적인 악화로 인한 것일 수 있다.

이 연구와 관련하여, 도 3은 간(즉, 간문맥 신경총)과 GI(즉, 상장간막 신경총) 표적(도 3에 간_GI_pFUS로 나타냄) 모두의 이중 부위 pFUS가 단일 부위 처리(즉, 간 또는 위장 자극 단독) 또는 모의 대조군과 비교하여 ZDF 랫트에서 평균 일일 혈당 측정치를 감소시켰음을 나타낸다. 혈당 측정은 생후 50일에 모든 군에 대해 시작되었으며 모든 동물은 연구 시작 전에 450~515 mg/dL의 비절식 글루코스 수준을 보여주었다. 일일 이중 부위 pFUS(일당 3분의 지속 시간)는 더 빠르고(즉, 300 mg/dL 초과로 유지된 다른 모든 군에 비해 처리 7일째까지 평균 혈당 값이 180 mg/dL 미만) 더 유의한(즉, 14일째에 간 단독 코호트에서 366.6±23.5 mg/dL 및 GI 단독 코호트에서 319±26.7 mg/dL에 비해 평균 혈당 162.8±9.4 mg/dL) 평균 혈당 값의 감소를 초래하였다. 도 4 내지 도 6을 살펴보면, HOMA-IR(도 4), HOMA-B(도 5) 및 평균 인슐린 값(도 6)은 pFUS 처리된 동물에서 개선된 글루코스 조절이 인슐린의 분비 증가와 연관되지 않고, 오히려 인슐린에 더 민감한 표현형의 회복과 연관되어 있음을 보여주었다.

도 7 및 도 8은 ZDF 모델을 사용하여 이중 부위 pFUS의 글루코스 강하 효과를 현재 T2D 약물과 직접 비교한 것이다. 약물 단독 대조군에서는 메트포르민 또는 리라글루티드를 50일째부터 매일 투여하자 ZDF 랫트의 평균 혈액 수준이 매일 약물 치료 단독 19~20일 이내에 고혈당 값(즉, >200 mg/dL)으로 되돌아가는 것으로 나타났다. 대조적으로, 이중 부위 pFUS 단독은 혈당 값이 39일 동안 200 mg/dL 미만으로 유지되었다. 또한, 약물 치료 코호트(실험 전반에 걸쳐 약물을 매일 계속 투여받음)와 달리, 이 실험의 이중 부위 pFUS 코호트는 매일 10일(3분의 지속 시간) 초음파 처리만 받았고 추가 pFUS는 받지 않았다. 조합 처리 코호트(즉, 10일의 약물 및 pFUS 처리 후 매일 약물 단독 치료)에서, 초기 초음파 처리를 추가하자 약물 단독 코호트에 비해 고혈당증으로부터의 관해가 연장되었다. 단일 부위, 간 단독 pFUS는 메트포르민 치료의 효과(평균 혈당이 200 mg/dL 미만으로 유지되는 시간으로 정의됨)를 19일에서 27일로, 리라글루티드 치료의 효과를 20일에서 30일로 연장했다. 이중 부위 pFUS 처리는 약물 치료의 효과를 훨씬 더 오래 연장하였는데(즉, ZDF 연령 110일), 이중 부위 pFUS/메트포르민 코호트는 44일 동안 200 mg/dL 미만으로 유지되었고 이중 부위 pFUS/리라글루티드 코호트는 50일 동안 200 mg/dL 미만의 글루코스 수준을 유지하였다. 또한, 도 9는 모의 대조군과 비교하여 처리된 코호트에서 체중 증가에 대한 일시적 또는 둔화 효과가 있었지만, 이 효과는 오래 가지 못했고 고혈당증의 지속적인 개선을 설명하지 못했음을 보여준다.

추가 연구는 단일 이중 부위 pFUS 처리를 사용하여 수행되었다. 특히, 장기 효과는 15분, 30분 또는 60분(즉, 동일한 세션의 각 부위에서 7.5분, 15분 또는 30분 처리)의 더 긴 pFUS 처리 기간의 단일 세션 후에만 연구되었다. pFUS에 사용되는 초음파 펄스는 진단 초음파의 FDA 안전성 한계 미만으로 유지되며 일반적으로 임상 진단 이미징과 관련된 노출 시간(즉, 해부학적 표적당 7.5 내지 30분) 내에 유지되었다. 도 10에 도시된 바와 같이, 초음파 처리 시간을 증가시키자 ZDF에서 고혈당증 관해의 지속 시간이 증가하였다. 15분 처리군은 단일 이중 부위 pFUS 처리(50) 후 8일 동안 <200 mg/dL의 혈당을 유지한 반면, 30분의 처리는 이 관해 시간을 11일로 연장했으며, 60분의 처리는 이 초기 전체 14일 실험에서 관해를 보였다.

단일 60분의 이중 부위 pFUS 처리 실험은 ZDF 및 DIO 설치류 모델 모두에서 60일 이상 연장되고 추적되었다. 도 11은 당뇨병 관해(즉, 고혈당증 발병 후 55~60일령 사이에 수행된 pFUS 처리) 및 예방(즉, 고혈당증 발병 전 30일째에 수행된 pFUS 처리)에 대한 단일 pFUS 처리(50)의 효과를 나타낸다. 이전의 당뇨병성 ZDF(라인(60), 259.17 +/- 47 mg/dL의 시작 글루코스, 55일령에 처리)에서, 200 mg/dL 미만의 글루코스의 관해는 23일 동안 지속되었으며, 이는 ZDF에서 이전에 보고된 관해 기록(즉, i.c.v. FGF1 주사의 단일 치료로부터 200 mg/dL 미만의 19일)보다 더 오래 지속된 것이다. 당뇨병 전단계 ZDF(라인(70), 124.17 +/- 8.3 mg/dL의 시작 글루코스, 30일령에 처리)에서, (글루코스 불내증 당뇨병 전단계(혈당 챌린지 후 1시간까지 5.25±2.6에서 8.2±2.1 사이의 절식 HOMA-IR로 표시됨)가 고혈당/당뇨병 발병의 경구 글루코스 부하 검사(OGTT) 동안 전체 61일의 실험 동안 예방되었다.

관해는 또한 단일 초음파 처리 후 DIO 동물(도 12; 285.33 +/- 43.9 mg/dL의 시작 글루코스, 55~60일령에 처리)에서 전체 61일의 실험 동안 지속되었다. 또한 운동 쳇바퀴에 접근할 수 있는 DIO 코호트와 그렇지 않은 코호트에 대해 자극이 수행되었으며, 일치하는 쳇바퀴 접근이 있는 모의 대조군과 비교하였다(도 13 및 도 14). ZDF 코호트와 마찬가지로, 운동 쳇바퀴에 접근할 수 없었기 때문에 초음파 처리는 체중 증가를 막지는 못했으나 이를 둔화시켰다(모의 대조군의 경우 24.1 +/-10.8%의 증가 대비 8.5 +/-4.3%). 그러나, 운동 쳇바퀴에 대한 접근이 제공되었을 때, (일치하는 운동한 모의 코호트에서 2.9 +/- 2.1%의 체중 증가와 비교하여) pFUS 처리군은 14.9 +/- 4.4% 체중을 감량하였다. pFUS 처리 동물(쳇바퀴 접근 가능)에서의 이러한 체중 감소는 쳇바퀴 사용의 현저한 증가와 연관이 있었다(즉, 모의 대조군 동물 대비 pFUS 처리 동물에서 주간 9936회의 쳇바퀴 회전 대비 평균 27997회의 회전). 이 데이터는 초음파 처리에 의해 제공되는 글루코스 감소가 (운동 쳇바퀴에 접근할 수 없는 코호트에서) 체중 감소에 부차적이지 않으며 (운동 쳇바퀴에 접근할 수 있는 코호트에서) 운동에 대한 반응을 변화시킬 수 있음을 추가로 나타낸다.

본원에 언급된 바와 같이, 뇌실내 주사 시 FGF1이 당뇨병 관해를 유도하는 능력은 시상하부 아치형 핵(ARC)에 위치한 뉴런에 의해 매개되고 세포외 신호 조절 키나아제 1/2(ERK1/2)의 장기간의 FGF 매개 유도를 필요로 하는 것으로 최근에 밝혀졌다. 따라서, 시상하부 pERK 농도에 대한 이중 대 단일 부위 pFUS의 효과도 조사하였다. 도 15는 ZDF 동물에서 1회의 이중 부위 pFUS 처리(도 11에 나타난 바와 같이 고혈당으로부터 >3주의 관해를 가능하게 함)가 몇 주 동안 지속되는 시상하부 ERK 활성의 지속적인 증가를 나타냄을 보여준다. 또한, 고혈당증의 발병(도 11에 나타난 바와 같이, 자극 3~4주 후)은 시상하부 pERK가 치료 전 수준으로 복귀하는 것과 일치한다(4주; 도 15). 이러한 시상하부 ERK 활성의 증가는 간 단독 pFUS 코호트(이전에 도 7 및 도 8에서 당뇨병 관해를 달성하지 못하는 것으로 나타남)에서는 발생하지 않았고, GI 자극 코호트(이전에 도 3에 나타낸 글루코스 값)에서만 발생하는 것으로 관찰되었으며, 간 또는 GI 단독 자극(도 16 내지 21)과 비교하여 이중 부위 처리된 동물에서 더 큰 정도로 발생했다.

앞서 언급했듯이 ARC에는 에너지 항상성을 조정하고 대사를 조절하는 것으로 알려진 두 개의 구별되는 신경 집단이 존재한다. 이러한 신경 집단은 섭식 행동과 대사에 반대되는 영향을 미치며 식욕억제성 프로오피오멜라노코르틴(POMC) 뉴런과 식욕유발성 뉴로펩티드 Y(NPY)/아구티 관련 펩티드(AgRP) 뉴런을 포함한다. 단일 부위 간 pFUS 처리는 간-시상하부 신경 경로를 통해 작용하여 시상하부 NPY(및 NPY 발현 뉴런에 대한 알려진 공동 조절 연결이 있는 기타 신경 전달 물질)를 감소시킨다. 도 16 내지 도 21은 시상하부 NPY 농도에 대한 간 단독 자극의 효과를 확인시켜 준다. 이중 부위 pFUS(도 22) 처리는 시상하부 NPY 수준을 유의미하게 변화시켰다. GI 자극은 시상하부 POMC 수준을 증가시키는 것으로 나타났으며(도 16 내지 도 21), 이중 부위 처리는 (GI 부위 pFUS 단독 대비) 시상하부 POMC를 추가로 2배 증가시켰다(도 23 및 도 16 내지 도 21). 더욱이, 이중 부위 pFUS 처리 동물(도 15에서 고혈당증으로부터 3~4주간의 관해를 나타냄)은 상승된 시상하부 POMC 수준을 더 오래 유지하였다(단일 초음파 처리 후 최대 4주까지).

전술한 내용을 염두에 두면, NPY 단독 또는 POMC 단독 자극은 장기적인 관해를 제공하지 않는다는 사실을 관찰할 수 있다. 결과적으로, 이는 단순히 자극 시간의 길이가 아니라 해당 기간 동안 두 경로가 모두 활성화된다는 결론을 내릴 수 있다. 두 경로 모두 중추 신경계의 개재뉴런 또는 세포일 수 있는 통합 뉴런에 의해 연결된다. 예를 들어, 이러한 경로는 개재뉴런, 비-신경 지지 세포, 및/또는 NPY 뉴런과 POMC 뉴런 사이의 직접적인 시냅스 연결을 통해 연결될 수 있다. 관해는 두 경로가 모두 활성화될 경우에만 관찰되기 때문에 두 신경 경로 사이의 개재뉴런 또는 기타 연결(예를 들어, 비-신경 지지 세포 또는 직접 시냅스 연결)이 관해와 관련된 기전과 관련이 있을 가능성이 높다. 예를 들어, 개재뉴런 및/또는 NPY 뉴런과 POMC 뉴런 사이의 직접적인 시냅스 연결이 본원에 기재된 후기 반응 유전자 활성화 기전에 관여할 수 있으며, 여기서 두 경로는 필연적으로 활성화된다.

도 24는 순환 호르몬 농도에 대한 단일 대 이중 부위 pFUS 처리(즉, 도 3의 일일 자극 ZDF 코호트)의 효과를 나타낸다. 5개의 GI 호르몬 중 2개(즉, GLP와 CCK)는 간 자극 시 가장 큰 퍼센트 변화를 보여준 반면(간 단독 또는 이중 자극 코호트에서), 그렐린은 GI 자극에 의해 더 많은 영향을 받았고(GI 단독 또는 이중 자극 코호트에서), GIP는 두 부위 모두에서 자극에 의해 영향을 받았으며(그러나 이중 자극 코호트에서 가장 유의미하게 증가함), PYY는 이중 자극 코호트에서만 영향을 받았다. 따라서, 두 자극 부위 모두 GI 관련 대사 호르몬의 농도에 영향을 미치는 것으로 보이지만, 위에서 언급한 개재뉴런 연결에 의해 매개될 가능성이 있는 이중 부위 자극만이 측정된 모든 호르몬에 걸쳐 개선을 제공한다. 나아가, 어느 하나의 부위에서의 (또는 조합한) 자극은 순환 인슐린과 글루카곤에서 유사한 개선을 가져왔지만, (GI 단독 또는 이중 자극 코호트에서) GI 자극만이 순환 렙틴 수준의 증가를 방지하는 데 효과적이었다. 시상하부 효과기 경로는 이러한 호르몬 중 몇 가지의 분비에 영향을 미칠 수 있으며, 호르몬 분비 수준은 시상하부 신경 활성을 조절하고 글루코스 및 에너지 항상성을 변경하는 데 도움이 될 수 있다.

FGF1 농도를 pFUS 처리 후 측정하여 장기간의 pFUS 조절이 시상하부 FGF1의 상향 조절을 초래하는지를 결정하였다. 도 25는 단일 이중 부위 pFUS 처리가 처리 후 적어도 2주 동안 FGF1 상향 조절을 초래했음을 나타낸다. 또한, 이러한 효과는 단일 부위 자극 코호트에서는 나타나지 않았다(도 25 및 도 26). 이러한 결과는 말초 대사 감각 뉴런의 활성화가 생체 내에서 시상하부 FGF1 신호 전달을 활성화하거나 유지하는 데 중요할 수 있으며, 신경대사 제어 회로에 대한 신경 보호/분화 효과가 알려져 있음을 시사한다.

대사 감각 뉴런(즉, 간 및 GI 관)과 시상하부 사이의 온전한 구심성 신경 경로가 pFUS 유발 당뇨병 관해를 달성하는 데 필요하다는 가설도 연구하였다. 구체적으로, 0.5 uL의 2% 리도카인 염산염 용액을 이중 부위 pFUS 처리 60분 전에 고립로핵(nucleus solitaris tractus, NTS)에 주사하였다. 리도카인 주사는 경구 글루코스 부하 검사(OGTT)에 의해 측정된 바와 같이 글루코스 감소에 대한 이중 부위-pFUS(60분의 지속 기간) 효과를 제거하는 것으로 관찰되었다. 또한, 리도카인 차단을 투여받은 ZDF 동물에서 pFUS는 차단이 없는 동물(도 15, 도 22 및 도 23) 또는 식염수 감염 대조군을 투여받은 동물에 비해 pERK 활성 또는 FGF1 발현의 증가를 유도하지 못했다. 유사하게, 이전에 관찰된 POMC 발현의 증가(도 23)는 pFUS 처리 전에 신경 차단제를 투여받은 ZDF 동물에서는 나타나지 않았다.

시상하부(특히 ARC)의 뉴런은 글루코스 항상성 유지에 중요한 역할을 하는 것으로 여겨진다. 그럼에도 불구하고, 치료적으로 조절될 경우 지속적인 방식으로 고혈당증을 개선하는 이러한 시상하부 핵의 능력은 최근에야 동물 모델에서 밝혀졌다. 시상하부 신경 조절을 통해 당뇨병 관해를 유도하기 위해 현재 보고된 유일한 치료 기전은 FGF1의 i.c.v. (말초 아님) 주사였다. 당뇨병 관해를 유도하는 i.c.v. FGF1의 작용 기전은 FGF1 조절 세포 내 신호 전달 경로(예컨대, pERK)의 직접 활성화를 통해 ARC 내 글루코스 조절 뉴런의 조절을 포함한다. FGF1 중추 주사의 침습적 특성으로 인해 임상 테스트 및 전환이 어렵지만, 작용 기전을 밝히는 것은 새로운 치료 개입을 조사할 수 있는 추가 가능성을 제공한다. 본원에서는, 초음파 자극을 이용하여 시상하부와 소통하는 구심성 신경 경로의 조절이 또한 다수의 T2D 모델에서 고혈당으로부터의 지속적인 관해를 초래하였음이 개시되었다.

논의된 바와 같이, FGF1은 신경 후기 반응 유전자로서 상향 조절되는 것으로 보이며, 이의 발현 수준과 분비 속도는 신경 활성과 칼슘 농도에 따라 달라진다. 조기 발현 조기 반응 유전자와 비교했을 때, 후기 반응 유전자(예컨대, FGF1 유전자)의 발현은 구성적 신경 활성화를 필요로 한다. 본원에 나타낸 바와 같이, 당뇨병 모델에서의 장기 관해의 유도는 초음파 용량에 의존적이다(즉, 관해의 길이는 치료 중 자극 시간의 길이에 달려 있다). 단일 처리(예컨대, 15분, 30분, 60분 등의 처리)는 ZDF 및 DIO 모델에서 고혈당증의 장기적인 개선이 가능함을 보여주었다. 이러한 pFUS 유도 효과는 말초 자극 부위와 시상하부 사이의 온전한 신경 경로에 의존하는 것으로 나타났으며, 상이한 해부학적 부위(즉, 글루코스 센서를 포함하는 것으로 알려진 간 부위 또는 영양소 센서를 포함하는 것으로 알려진 GI 부위)의 자극은 시상하부 신경 전달 물질 신호 전달에 대해 서로 다르지만 시너지 효과를 갖는 것으로 나타났다. 간 pFUS는 주로 시상하부 내 NPY 발현에 영향을 미치는 반면 GI pFUS는 POMC 수준에 영향을 미치며 두 부위의 이중 자극은 장기적인 관해를 달성하는 것으로 나타났다. i.c.v. FGF1 치료와 마찬가지로, 이중 부위 pFUS 후 장기적인 관해는 시상하부 NPY, POMC 및 pERK 수준에 대한 효과와 관련이 있었으며, 이러한 시상하부 효과는 pFUS에 의해 유도된 FGF1 발현의 상향 조절과 일치했다. 이를 염두에 두면, 시상하부를 이용한 뉴런의 조절(즉, 신경약제 또는 물리적 초음파 자극을 통한 조절)은 동물 모델에서 당뇨병으로부터의 지속적인 관해로 이어진다. 또한, 본원에 기재된 초음파-기반 접근법은 비침습적이다(즉, 저강도 초음파 자극을 사용하는 단일 초음파 처리 세션).

전술한 내용을 염두에 두고, pFUS 효과의 특성에 대한 추가 논의는 설명을 용이하게 하기 위해 아래에서 논의된다. 특히, 이하에서 기재된 바와 같이, pFUS 효과는 생체 내 및 시험관 내 모델 모두에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 기계적으로 활성화된 이온 채널의 활성에 의존한다.

특히, 저강도 기계적 초음파 자극은 생체 내 및 시험관 내 모델 모두에서 부위 특이적 신경 조절이 가능하다. 초음파 신경 조절의 기계적 기원은 본원에 기재되어 있고, 순수 기계 자극을 사용하여(즉, 도 27 내지 도 31에 도시된 바와 같이, 초음파 변환기를 기계적 피스톤 기반 자극기로 대체하고, 기계 민감성 이온 채널의 특정 패밀리에 대한 초음파 신경 활성화의 의존성을 입증하여) 확인하였다. 기재된 연구에서 후근 신경절 감각 뉴런의 3차원 시험관 내 배양물을 본 발명자들의 생체 내 실험에서 얻은 것과 일치하는 초음파 펄스 파라미터 및 압력을 사용하여 활성화시켰다(칼슘 지시자 염료로 측정). 도면과 관련하여, 도 27은 pFUS 자극 전후의 DRG 뉴런 세포의 명시야 및 형광 이미지를 포착하는 데 사용되는 3D 시험관 내 말초 뉴런 배양 시스템 및 실험 설정의 개략도이다. DRG 뉴런 배양에 사용되는 하이드로겔 입자의 직경 약 100 pm은 이전에 하이드로겔 입자 사이에 형성된 기공을 통해 활성 축삭 망을 생성하는 것으로 나타났다.

도 28은 pFUS 자극 동안 칼슘(Ca2+) 이미징의 타임 랩스를 보여주는 줌인 형광 이미지를 나타낸다. pFUS 자극은 기준선 이미지(기준선 1)를 수집하기 위한 짧은 시간 후 10초에 켜지고(초음파 온) 120초에 다시 꺼진다. 그런 다음 초음파 자극을 끈 상태에서 제2의 기준선(기준선 2)과 측정 기간을 다시 촬영하기 전 2분 동안 초음파를 껐다(초음파 오프). DRG 뉴런 세포의 칼슘 농도는 초음파 자극 후 증가했으며, pFUS 중단 시 세포의 Ca2+ 농도는 기준선 수준으로 돌아왔다.

도 29는 DRG 뉴런의 pFUS 여기가 Ca2+ 의존성 형광(F)의 변화를 유도했음을 나타낸다. 변화율(dF/dt)은 초음파 자극을 가하지 않으면(초음파 오프) 작게 유지된다. 이는 배양액에 임의의 이온 채널 차단제(N > 30개 세포/조건)를 추가하지 않고 0.83 MPa 피크 양압에서 pFUS 자극(초음파 온) 동안 나타난 유의한 dF/dt 증가와 비교된다.

도 30을 살펴보면, 다중 이온 채널 차단제(N > 30개 세포/조건)를 이용한 초음파 자극 전/후에 관찰된 형광 변화가 도시되어 있다. TTX는 활동 전위 전파에 관여하는 전압 개폐 나트륨 채널의 특이적 억제제이고, ω-코노톡신-GVIA는 N형 Ca2+ 채널 억제제이며, HC030031(HC)은 민감한 일시적 수용체 전위 A1(TRPA1) 채널 억제제이다. 피에조 또는 TRP 계열 차단제 GsMTx 및 HC030031가 배양에 첨가되었을 때, pFUS 유도 활성은 유의하게 억제되었다(Dunnet의 다중 검정 비교; **** p < 0.001). 도 31과 관련하여, HC030031은 ZDF 랫트의 간문에 국소 주사되었을 때 생체 내에서 글루코스에 대한 pFUS 효과를 억제하는 것으로 나타났다(군당 n=5; GTT는 생후 65일째에 하룻밤 절식 후 수행). GTT는 pFUS 처리(HC + pFUS) 및 HC 주사는 투여하였으나 pFUS는 하지 않은 대조군 동물(HC 모의 대조군)에서 수행하였다. HC 치료를 받지 않은 ZDF 랫트와 달리, TRPA1 차단제를 처리한 동물에서는 순환 혈당의 통계적 차이가 관찰되지 않았다.

추가로 이러한 결과와 관련하여, 그리고 추가의 설명으로서, N형 칼슘 채널(ω-코노톡신) 또는 전압 개폐 나트륨 채널(테트로도톡신)의 차단은 도 30에 나타낸 바와 같이, pFUS에 대한 반응을 약화시키지 않았다. 대조적으로, 비선택적 기계 민감성 이온 채널 차단제(즉, GxMTx4) 또는 일시적 수용체 전위(TRPA1, 즉, HC-030031) 채널의 특이적 차단제를 이용한 차단은 pFUS 효과를 억제하였다(도 30). 생체 내 간 pFUS의 글루코스 강하 효과를 달성하기 위해 TRPA1이 또한 필요한지 결정하기 위해, 절식시킨 ZDF 랫트의 간문에서 TRPA1 차단제(HC-030031; 8 mg/kg)의 단일 국소 주사 후 GTT 연구를 반복하였다. 이 채널의 중요한 기여를 확인하면서, TRPA1을 차단하자 실제로 GTT 동안 혈당 수준을 낮추는 pFUS 처리의 능력이 파괴되었다(도 31). TRP 계열 내의 이온 채널은 구심성 뉴런에서 발현되며 기능성 글루코스/대사 산물 감지에 필요한 것으로 보고되었는 점을 주목할 수 있다. 또한, 알릴 이소티오시아네이트(AITC)에 의한 TRPA1(HC-030031의 표적)의 활성화는 알려지지 않은 기전에 의해 여러 T2D 모델에서 글루코스 흡수 및 인슐린 신호 전달을 개선하는 반면, TRPV1 및 TRPA1 발현(GxMTx4의 표적)의 제거는 심각한 인슐린 또는 렙틴 저항성을 초래하는 것으로 이전에 나타났다. 이러한 결과로부터 칼슘 신호 전달과 신경 조절 사이의 상호작용을 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 TRPA1에 대한 시상하부 효과의 의존성을 관찰할 수 있다. 또한, 핵에 대한 장기간의 칼슘 신호 전달은 본원에 기재된 바와 같이 후기 반응 유전자 활성화를 유도하는 데 관여하고, 이에 따라 FGF1 유전자의 후기 반응 활성화에서 인자가 될 수 있음을 주목할 수 있다. 따라서, FGF1 후기 반응 유전자 활성화의 기전은 TRPA1 활성화와 관련될 수 있다.

신경 조절 기술

전술한 바를 염두에 두고, 본원에 제공된 바와 같은 하나 이상의 관심 영역(예를 들어, 단일 부위 또는 다중 부위)의 신경 조절은 표적화 영역 또는 관심 영역들(예를 들어, 자극 부위 또는 부위들)에 대해서만 국소적이고 비침습적인 에너지를 적용할 수 있게 하고, 해당 영역 또는 관심 영역들의 외부에는 에너지가 인가되지 않도록 한다. 에너지 인가는 표적화된 관심 영역 밖에서, 예를 들어, 관심 영역을 포함하는 동일한 기관, 조직 또는 구조에서, 또는 표적화된 관심 영역을 포함하지 않는 다른 기관 및 구조에서 다운스트림 효과를 유발할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 다운스트림 효과는 예로서 시상하부의 영역에서 유도될 수 있다. 에너지 인가는 또한 에너지 인가 부위의 상류에 있는 표적화된 신경을 따라 효과를 유도할 수 있다. 일부 실시예에서, 표적화된 관심 영역(들) 외부의 효과는 다운스트림 효과 또는 업스트림 효과가 유도되는 관심 영역(들) 외부의 영역으로의 직접적인 에너지 인가 없이 달성될 수 있다. 따라서, 국소 에너지 인가는 국소 효과, 다운스트림 효과 및/또는 업스트림 효과를 포함할 수 있는 전신 효과를 실현하거나 달성하기 위해 사용될 수 있다. 표적화된 영역 또는 관심 영역들은 비-뉴런 세포 또는 체액과 시냅스를 형성하는 축삭 말단을 갖는 체내의 임의의 조직 또는 구조일 수 있다. 한 예에서, 관심 영역은 비장, 간, 췌장, 또는 위장관 조직(즉, "장")과 같은 기관 또는 구조의 하위 영역일 수 있다. 또 다른 예에서, 관심 영역은 림프계 조직 내에 있을 수 있다.

표적화된 관심 영역에 대한 신경 조절은 원하는 생리학적 결과를 산출하기 위해 대상체에서 하나 이상의 생리학적 경로를 중단, 감소 또는 증강시키기 위해 생리학적 과정의 변화를 가할 수 있다. 또한, 국소 에너지 인가는 전신 변화를 초래할 수 있기 때문에, 상이한 생리학적 경로가 상이한 방식으로 신체의 상이한 위치에서 변화되어, 특정 대상체에 대한 표적화된 신경 조절에 의해 야기된 대상체의 생리적 변화의 전반적인 특징적인 프로파일 또는 특정 대상체에 대한 표적화된 신경 조절의 특징을 야기할 수 있다. 이러한 변화는 복잡하지만, 현재의 신경 조절 기술은 처리된 대상체에게 신경 조절의 결과이며 표적화된 관심 영역에 에너지를 인가하거나 다른 개입 없이는 달성할 수 없는 하나 이상의 측정 가능한 표적화된 생리학적 결과를 제공한다. 또한, 다른 유형의 개입(예를 들어, 약물 치료)은 신경 조절에 의해 야기된 생리학적 변화를 촉진하거나 강화할 수 있다.

본원에서 논의되는 다중 부위 신경 조절 기술은 관심 분자의 농도 변화(예를 들어, 증가, 감소) 및/또는 관심 분자의 특성의 변화의 생리학적 결과를 유발하기 위해 사용될 수 있다. 즉, 하나 이상의 관심 분자(예를 들어, 제1 관심 분자, 제2 관심 분자 등)의 선택적 조절은 하나 이상의 조직(예를 들어, 제1 조직, 제2 조직 등)에서 하나 이상의 관심 영역(예를 들어, 제1 관심 영역, 제2 관심 영역 등)에 대한 에너지 인가의 결과로서 분자의 농도(순환, 조직) 또는 특성(공유 변형)을 조절하거나 이에 영향을 미치는 것을 지칭할 수 있다. 관심 분자의 조절은 단백질의 발현, 분비, 전좌 및 에너지 인가 자체로부터 유도되거나 이온 채널에 직접 영향을 미치는 분자의 결과로서 이온 채널 효과에 기초한 직접적인 활성 변화와 같은 분자의 특성의 변화를 포함할 수 있다. 관심 분자의 조절은 또한 분자의 원하는 농도를 유지하는 것을 의미할 수 있으며, 따라서 농도의 예상되는 변화 또는 변동이 신경 조절의 결과로서 발생하지 않는다. 관심 분자의 조절은 효소-매개 공유 변형(인산화, 아세일화, 리보실화 등의 변화)과 같은 분자 특성의 변화를 일으키는 것을 의미할 수 있다. 즉, 관심 분자의 선택적 조절은 분자 농도 및/또는 분자 특성을 지칭할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 관심 분자는 생물학적 분자, 예컨대 탄수화물(단당류, 다당류), 지질, 핵산(DNA, RNA) 또는 단백질 중 하나 이상일 수 있다. 특정 실시예에서, 관심 분자는 신호 전달 분자, 예컨대 호르몬(아민 호르몬, 펩티드 호르몬, 또는 스테로이드 호르몬)일 수 있다.

본원에 기재된 특정 실시예는 글루코스 대사 및 관련 장애의 치료를 위한 표적화된 생리학적 결과를 유발하는 다중 부위 신경 조절 기술을 제공한다. 글루코스 조절은 복잡하며 다양한 국소 및 전신 대사 경로를 포함한다. 표적화된 관심 영역에 에너지를 인가하면 이러한 대사 경로에 특징적인 변화가 일어나 글루코스 조절을 개선한다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 관심 영역에서의 조절은 당뇨병(즉, 제1형 또는 제2형 당뇨병), 고혈당증, 패혈증, 외상, 감염, 생리적 스트레스, 당뇨병 관련 치매, 비만, 또는 다른 섭식 또는 대사 장애를 포함하지만 이에 제한되지 않는 장애를 치료하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 신경 조절은 체중 감소를 촉진하거나, 식욕을 조절하거나, 악액질을 치료하거나, 식욕을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 일례로, 생리적 스트레스는 다양한 급성 의학적 상태(감염, 중증 부상/외상, 심장 마비, 우회술)뿐만 아니라 고혈당증을 나타내는 수술 사례를 포함하도록 의학적으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 직접적인 췌장 자극은 식욕을 증가시킬 수 있는 반면, 직접적인 간 자극은 NPY를 감소시켜 결과적으로 포만감 신호를 촉진할 수 있다. 표적화된 생리학적 결과에는 대상체의 순환(즉, 혈중) 글루코스 농도를 정상 글루코스 수준과 관련된 원하는 농도 범위 내에 있도록 조정하고 고혈당증 또는 저혈당증을 피하는 것이 포함될 수 있다. 이러한 방식으로, 관심 분자의 선택적 조절이 달성될 수 있다. 조정은 원하는 글루코스 농도(즉, 원하는 글루코스 종점)를 유발하기 위해 표적화된 신경 조절을 통해 혈액 또는 조직에서 당조절 호르몬의 유도된 변화의 결과일 수 있다. 또한, 글루코스 조절은 질환 진단을 받지 않았지만 당뇨병 전단계이거나 건강한 체중을 유지하고자 하는 건강한 환자에게 도움이 될 수 있다.

이를 위해, 개시된 신경 조절 기술은 신경 조절 시스템과 함께 사용될 수 있다. 도 32는 에너지의 인가에 반응하여 시냅스의 신경 전달 물질을 방출하고/하거나 성분들(예를 들어, 시냅스전 세포, 시냅스후 세포)을 활성화시키기 위한 신경 조절을 위한 시스템(1000)의 개략적인 표현이다. 도시된 시스템은 에너지 인가 장치(1012)(예를 들어, 초음파 변환기)에 결합된 펄스 발생기(1014)를 포함한다. 에너지 인가 장치(1012)는 예를 들어, 리드 또는 무선 연결을 통해, 에너지 펄스를 수신하도록 구성되며, 이는 사용 시 대상체의 내부 조직 또는 장기의 관심 영역으로 유도되며, 이는 차례로 표적화된 생리학적 결과를 초래한다. 특정 실시예에서, 펄스 발생기(1014) 및/또는 에너지 인가 장치(1012)는 생체적합성 부위(예를 들어, 복부)에 이식될 수 있고, 리드 또는 리드들은 에너지 인가 장치(1012) 및 펄스 발생기(1014)를 내부적으로 결합시킨다. 예를 들어, 에너지 인가 장치(1012)는 용량성 미세규격화된 초음파 변환기와 같은 MEMS 변환기일 수 있다.

특정 실시예에서, 에너지 인가 장치(1012) 및/또는 펄스 발생기(1014)는 무선으로 통신할 수 있으며, 예를 들어 제어기(1016)는 차례로 펄스 발생기(1014)에 명령어를 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 펄스 발생기(1014)는 체외 장치일 수 있고, 예를 들면, 대상체의 신체 외부의 위치로부터 경피적으로 또는 비침습적인 방식으로 에너지를 인가하도록 작동할 수 있고, 특정 실시예에서, 제어기(1016) 내에 통합될 수 있다. 펄스 발생기(1014)가 체외인 실시예에서, 에너지 인가 장치(1012)는 간병인에 의해 작동될 수 있고, 에너지 펄스가 원하는 내부 조직으로 경피적으로 전달되도록 대상체의 피부의 또는 피부 위의 장소에 위치될 수 있다. 원하는 부위에 에너지 펄스를 인가하도록 위치되면, 시스템(10)은 표적화된 생리학적 결과 또는 임상적 효과를 달성하기 위해 신경 조절을 개시할 수 있다.

특정 실시예에서, 시스템(10)은 제어기(1016)에 결합되고, 조절의 표적화된 생리학적 결과가 달성되었는지를 나타내는 특성을 평가하는 평가 장치(1020)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 표적화된 생리학적 결과는 국소적일 수 있다. 예를 들어, 조절은 조직 구조 변화, 특정 분자의 농도의 국소 변화, 조직 변위, 유체 이동 증가 등과 같은 국소 조직 또는 기능 변화를 초래할 수 있다.

조절은 전신 또는 비국소적 변화를 초래할 수 있으며, 표적화된 생리학적 결과는 순환 분자의 농도 변화 또는 에너지가 직접 인가된 관심 영역을 포함하지 않는 조직의 특성 변화와 관련될 수 있다. 한 예에서, 변위는 원하는 조절에 대한 대리 측정일 수 있고, 기대 변위 값 미만의 변위 측정은 예상 변위 값이 유도될 때까지 조절 파라미터의 수정을 초래할 수 있다. 따라서, 평가 장치(1020)는 일부 실시예에서 농도 변화를 평가하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 평가 장치(1020)는 장기 크기 및/또는 위치의 변화를 평가하도록 구성된 이미징 장치일 수 있다. 시스템(10)의 도시된 요소들이 개별적으로 도시되어 있는 반면, 요소들의 일부 또는 전부가 서로 조합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 일부 또는 모든 요소들은 서로 유선 또는 무선 방식으로 통신할 수 있다.

평가에 기초하여, 제어기(1016)의 조절 파라미터들은 변경될 수 있다. 예를 들어, 원하는 조절이 정의된 시간 창(예를 들어, 에너지 인가의 절차가 개시된 후 5분, 30분) 내의 농도의 변화(하나 이상의 분자의 순환 농도 또는 조직 농도)와 연관되거나, 절차의 시작 시 기준선에 대해 상대적인 경우, 펄스 주파수와 같은 조절 파라미터 또는 다른 파라미터의 변경이 바람직할 수 있고, 이는 차례로 작동자에 의해 또는 자동 피드백 루프를 통해 에너지 인가 파라미터 또는 펄스 발생기(1014)의 조절 파라미터를 정의하거나 조정하기 위해 제어기(1016)에 제공될 수 있다.

본원에 제공된 시스템(1000)은 다양한 조절 파라미터에 따라 에너지 펄스를 제공할 수 있다. 예를 들어, 조절 파라미터들은 연속적인 것으로부터 간헐적인 것에 이르는 다양한 자극 시간 패턴들을 포함할 수 있다. 간헐적 자극을 사용하면 신호 온(signal-on) 시간 동안 특정 주파수에서 일정 시간 동안 에너지가 전달된다. 신호 온 시간 다음에는 신호 오프(signal-off) 시간으로 지칭되는 에너지 전달이 없는 기간이 뒤따른다. 조절 파라미터는 또한 자극 인가의 주파수 및 지속 시간을 포함할 수 있다. 인가 주파수는 연속적일 수 있거나, 다양한 시간대, 예를 들어, 하루 또는 일주일 이내에 전달될 수 있다. 처리 지속 시간은 몇 분에서 몇 시간을 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 기간 동안 지속될 수 있다. 특정 실시예에서, 특정 자극 패턴을 갖는 처리 지속 시간은 1시간 동안 지속될 수 있고, 예를 들어, 72시간 간격으로 반복될 수 있다. 특정 실시예에서, 처리는 더 높은 빈도로, 예를 들어 3시간마다, 더 짧은 기간 동안, 예를 들어 30분 동안 전달될 수 있다. 처리 기간과 빈도와 같은 조절 파라미터에 따른 에너지 인가는 원하는 결과를 얻기 위해 조정 가능하게 제어될 수 있다.

도 33은 시스템(1000)의 특정 구성 요소의 블록도이다. 본원에 제공된 바와 같이, 신경 조절을 위한 시스템(1000)은 대상체의 조직에 인가하기 위해 복수의 에너지 펄스를 생성하도록 조정된 펄스 발생기(1014)를 포함할 수 있다. 펄스 발생기(1014)는 분리되어 있을 수 있거나, 또는 제어기(1016)와 같은 외부 장치에 통합될 수 있다. 제어기(1016)는 장치를 제어하기 위한 프로세서(1030)를 포함한다. 소프트웨어 코드 또는 명령어는 장치의 다양한 구성 요소들을 제어하기 위해 프로세서(1030)에 의한 실행을 위해 제어기(1016)의 메모리(1032)에 저장된다. 제어기(1016) 및/또는 펄스 발생기(1014)는 하나 이상의 리드(1033)를 통해 또는 무선으로 에너지 인가 장치(1012)에 연결될 수 있다

제어기(1016)는 또한 임상의가 조절 프로그램에 선택 입력 또는 조절 파라미터를 제공할 수 있도록 조정된 입력/출력 회로(1034) 및 디스플레이(1036)를 갖는 사용자 인터페이스를 포함한다. 각각의 조절 프로그램은 펄스 진폭, 펄스 폭, 펄스 주파수 등을 포함하는 하나 이상의 조절 파라미터 세트를 포함할 수 있다. 펄스 발생기(1014)는 제어기 장치(1016)로부터의 제어 신호에 응답하여 그 내부 파라미터를 수정하여, 리드(1033)를 통해 에너지 인가 장치(1012)가 적용되는 대상체에게 전달되는 에너지 펄스의 자극 특성을 변화시킨다. 정전류, 정전압, 다중 독립 전류 또는 전압원 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 유형의 펄스 발생 회로가 사용될 수 있다. 인가되는 에너지는 전류 진폭 및 펄스 폭 지속 시간의 함수이다. 제어기(1016)는 조절 파라미터들을 변경함으로써 및/또는 특정 시간에 에너지 인가를 개시하거나 특정 시간에 에너지 인가를 취소/억제함으로써 에너지를 조절 가능하게 제어할 수 있게 한다. 일 실시예에서, 에너지 인가 장치의 조절 가능한 제어는 대상체 내의 하나 이상의 분자(예를 들어, 순환 분자)의 농도에 관한 정보에 기초한다. 정보가 평가 장치(1020)로부터 유래된 경우, 피드백 루프가 조절 가능한 제어를 구동할 수 있다. 예를 들어, 평가 장치(1020)에 의해 측정된 바와 같은 순환 글루코스 농도가 미리 결정된 임계치 또는 범위를 초과하는 경우, 제어기(1016)는 관심 영역(예를 들어, 간 및 위장관 조직)에 대한 에너지 인가를 개시할 수 있고, 순환 글루코스의 감소와 연관된 조절 파라미터를 가질 수 있다. 에너지 인가의 개시는 글루코스 농도가 미리 결정된(예를 들어, 바람직한) 임계치를 초과하거나 미리 정의된 범위를 벗어나는 것에 의해 촉발될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 조절 가능한 제어는 에너지의 초기 인가가 미리 결정된 시간 프레임(예를 들어, 1시간, 2시간, 4시간, 1일) 내에 표적화된 생리학적 결과(예를 들어, 관심 분자의 농도)에서 기대되는 변화를 초래하지 않을 경우 조절 파라미터를 변경하는 형태일 수 있다.

일 실시예에서, 메모리(1032)는 작동자에 의해 선택될 수 있는 상이한 작동 모드를 저장한다. 예를 들어, 저장된 작동 모드들은 간, 췌장, 위장관, 비장 내의 관심 영역과 같은 특정 처리 부위와 관련된 조절 파라미터들의 세트를 실행하기 위한 명령어를 포함할 수 있다. 부위마다 관련 조절 파라미터가 다를 수 있다. 작동자가 수동으로 모드를 입력하게 하는 대신, 제어기(1016)는 선택에 기초하여 적절한 명령어를 실행하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 메모리(1032)는 상이한 유형의 처리를 위한 작동 모드를 저장한다. 예를 들어, 활성화는 조직 기능을 억제하거나 차단하는 것과 관련된 것들에 대한 다른 자극 압력 또는 주파수 범위와 관련될 수 있다. 구체적인 예에서, 에너지 인가 장치가 초음파 변환기인 경우, 시간-평균 전력(시간 평균 강도) 및 피크 양압은 1 mW/cm² 내지 30,000 mW/cm²(시간 평균 강도) 및 0.1 MPa 내지 7 MPa(피크 압력)의 범위이다. 한 예에서, 시간 평균 강도는 열 손상 및 절제/공동 현상(cavitation)과 관련된 수준을 피하기 위해 관심 영역에서 35 W/cm² 미만이다. 다른 구체적인 예에서, 에너지 인가 장치가 기계식 액추에이터인 경우, 진동의 진폭은 0.1 내지 10 mm의 범위이다. 선택된 주파수는 에너지 인가 모드, 예를 들어, 초음파 또는 기계적 액추에이터에 따라 달라질 수 있다.

다른 실시예에서, 메모리(1032)는 원하는 결과를 달성하기 위해 조절 파라미터들의 조정 또는 수정을 허용하는 교정 또는 설정 모드를 저장한다. 한 예로, 자극은 더 낮은 에너지 파라미터에서 시작하여 자동으로 또는 작동자 입력을 받을 때 점진적으로 증가한다. 이러한 방식으로, 작동자는 조절 파라미터가 변경됨에 따라 유도된 효과의 조정을 달성할 수 있다.

시스템(1000)은 또한 에너지 인가 장치(1012)의 초점 조정을 용이하게 하는 이미징 장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 이미징 장치는 에너지 인가 장치(1012)와 통합되거나 또는 동일한 장치일 수 있으며, 따라서 상이한 초음파 파라미터들(주파수, 개구, 또는 에너지)이 관심 영역을 선택(예를 들어, 공간적으로 선택)하고 표적화와 후속 신경 조절을 위해 선택된 관심 영역에 에너지를 집중시키기 위해 적용될 수 있다. 다른 실시예에서, 메모리(1032)는 기관 또는 조직 구조 내에서 관심 영역을 공간적으로 선택하는 데 사용되는 하나 이상의 표적화 또는 초점 조정 모드를 저장한다. 공간 선택은 관심 영역에 대응하는 기관의 부피를 식별하기 위해 기관의 하위 영역을 선택하는 것을 포함할 수 있다. 공간 선택은 본원에 제공된 이미지 데이터에 의존할 수 있다. 공간 선택에 기초하여, 에너지 인가 장치(1012)는 관심 영역에 대응하는 선택된 부피에 초점을 맞출 수 있다. 예를 들어, 에너지 인가 장치(1012)는 관심 영역을 식별하는데 사용될 이미지 데이터를 수집하는 데 사용되는 표적화 모드 에너지를 인가하기 위해 먼저 표적화 모드에서 작동하도록 구성될 수 있다. 표적화 모드 에너지는 우선적 활성화에 적합한 수준이 아니고/아니거나 우선적 활성화에 적합한 조절 파라미터로 인가되지 않는다. 그러나, 관심 영역이 식별되면, 제어기(1016)는 우선적 활성화와 관련된 조절 파라미터에 따라 처리 모드에서 작동할 수 있다.

제어기(1016)는 또한 조절 파라미터들의 선택에 대한 입력으로서 표적화된 생리학적 결과와 관련된 입력들을 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이미징 기법이 조직 특성을 평가하기 위해 사용되는 경우, 제어기(1016)는 특성의 계산된 인덱스 또는 파라미터를 수신하도록 구성될 수 있다. 인덱스 또는 파라미터가 미리 정의된 임계치보다 높거나 낮은지에 따라 조절 파라미터가 수정될 수 있다. 일 실시예에서, 파라미터는 영향받은 조직의 조직 변위의 척도 또는 영향받은 조직의 깊이의 척도일 수 있다. 다른 파라미터는 하나 이상의 관심 분자의 농도를 평가하는 것(예를 들어, 임계치 또는 기준선/대조군에 대한 농도의 변화 중 하나 이상을 평가하는 것, 변화율, 농도가 원하는 범위 내에 있는지를 결정하는 것)을 포함할 수 있다. 또한, 에너지 인가 장치(1012)(예컨대, 초음파 변환기)는 제어기(1016)의 제어 하에 작동하여 a) 표적 조직 내의 관심 영역을 공간적으로 선택하는 데 사용될 수 있는 조직의 이미지 데이터를 획득하고, b) 관심 영역에 조절 에너지를 인가하고, c) (예를 들어, 변위 측정을 통해) 표적화된 생리학적 결과가 발생했음을 결정하기 위해 이미지를 획득할 수 있다. 이러한 실시예에서, 이미징 장치, 평가 장치(1020) 및 에너지 인가 장치(1012)는 동일한 장치일 수 있다.

다른 구현예에서, 원하는 조절 파라미터 세트는 또한 제어기(1016)에 의해 저장될 수 있다. 이러한 방식으로, 대상체 특이적 파라미터가 결정될 수 있다. 또한, 이러한 파라미터의 효과는 시간이 지남에 따라 평가될 수 있다. 특정 파라미터 세트가 시간이 지남에 따라 덜 효과적일 경우, 대상체는 활성화된 경로에 둔감해질 수 있다. 시스템(10)이 평가 장치(1020)를 포함하는 경우, 평가 장치(1020)는 제어기(1016)에 피드백을 제공할 수 있다. 특정 실시예에서, 피드백은 표적 생리학적 결과의 특성을 나타내는 평가 장치(1020) 또는 사용자로부터 수신될 수 있다. 제어기(1016)는 에너지 인가 장치로 하여금, 조절 파라미터들에 따라 에너지를 인가하게 하고, 피드백에 기초하여 조절 파라미터들을 동적으로 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 피드백에 기초하여, 프로세서(1016)는 조절 파라미터들(예를 들어, 초음파 빔의 주파수, 진폭, 또는 펄스 폭 또는 기계적 진동)을 실시간으로 그리고 평가 장치(1020)로부터의 피드백에 응답하여 자동으로 변경할 수 있다.

하나의 예에서, 본 기술은 대사 장애를 가진 대상체를 치료하는 데 사용될 수 있다. 본 기술은 또한 글루코스 조절 장애를 가진 대상체에서 혈당 수준을 조절하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 본 기술은 관심 분자의 항상성을 촉진시키거나 하나 이상의 관심 분자(예를 들어, 글루코스, 인슐린, 글루카곤, 또는 이들의 조합)의 원하는 순환 농도 또는 농도 범위를 촉진하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 본 기술은 순환하는(즉, 혈중) 글루코스 수준을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 다음 임계치는 정상 범위의 동적 평형 상태에서 혈당 수준을 유지하기 위해 사용될 수 있다:

절식:

50 mg/dL(2.8 mmol/L) 미만: 인슐린 쇼크

50~70 mg/dL(2.8~3.9 mmol/L): 저혈당/저혈당증

70~110 mg/dL(3.9~6.1 mmol/L): 정상

110~125 mg/dL(6.1~6.9 mmol/L): 상승/장애(당뇨병 전단계)

125(7 mmol/L): 당뇨병

비절식(식후 약 2시간):

70~140 mg/dL: 정상

140~199 mg/dL(8~11 mmol/L): 상승 또는 "경계선"/당뇨병 전단계

200 mg/dL 초과: (11 mmol/L): 당뇨병

예를 들어, 이 기술은 순환 글루코스 농도를 약 200 mg/dL 미만 및/또는 약 70 mg/dL 초과로 유지하는 데 사용될 수 있다. 이 기술은 약 4~8 mmol/L 또는 약 70~150 mg/dL 사이의 범위에서 글루코스를 유지하는 데 사용될 수 있다. 이 기술은 대상체(예를 들어, 환자)에 대한 정상 혈당 범위를 유지하기 위해 사용될 수 있으며, 여기서 정상 혈당 범위는 체중, 연령, 임상 병력과 같은 환자의 개별적인 요인에 기초한 개별화된 범위일 수 있다. 따라서, 하나 이상의 관심 영역으로의 에너지 인가는 관심 분자의 원하는 최종 농도에 기초하여 실시간으로 조정될 수 있고, 평가 장치(1020)로부터의 입력에 기초하여 피드백 루프에서 조정될 수 있다. 예를 들어, 평가 장치(1020)가 순환 글루코스 모니터 또는 혈당 모니터인 경우, 실시간 글루코스 측정은 제어기(16)에 대한 입력으로서 사용될 수 있다.

에너지 인가 장치(1012)는 간으로서의 비제한적인 예에 의해 도시된 표적에 에너지를 인가할 수 있는 초음파 변환기(예를 들어, 비침습적 또는 휴대용 초음파 변환기)를 포함할 수 있다. 에너지 인가 장치(1012)는 초음파 변환기를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 프로세서(1030)의 제어 회로는 에너지 인가 장치(1012)에 일체형이거나(예컨대, 통합 제어기(1016)를 통해) 별개의 구성 요소일 수 있다. 초음파 변환기는 또한 원하는 또는 표적화된 관심 영역을 공간적으로 선택하고, 획득된 이미지 데이터에 기초하여 표적 조직 또는 구조의 관심 영역에 인가된 에너지를 집중시키는 것을 돕기 위해 이미지 데이터를 획득하도록 구성될 수 있다.

관심 영역 내에서 원하는 표적은 축삭 말단 및 비신경 세포의 시냅스를 포함하는 내부 조직 또는 기관일 수 있다. 시냅스는 시냅스 공간으로 분자의 방출을 유발하기 위해 표적의 관심 영역에 초점을 맞춘 초음파 변환기의 초점 필드 내에서 축삭 말단에 에너지를 직접 인가함으로써 자극될 수 있다. 예를 들어, 축삭 말단은 간세포와 시냅스를 형성하고, 신경 전달 물질의 방출 및/또는 이온 채널 활성의 변화가 차례로 글루코스 대사의 활성화와 같은 다운스트림 효과를 유발한다. 일 실시예에서, 간 자극 또는 조절은 간문의 관심 영역 또는 간문에 인접한 관심 영역의 조절을 지칭할 수 있다. 유사하게, 장 또는 위장관 자극 또는 조절은 상장간막 신경총의 관심 영역 또는 상장간막 신경총에 인접한 관심 영역의 조절을 지칭할 수 있다.

에너지는 관심 영역 및 내부 조직 또는 기관의 일부, 예를 들어, 조직의 총 부피의 약 50%, 25%, 10%, 또는 5% 미만에만 집중되거나 실질적으로 쏠릴 수 있다. 일 실시예에서, 에너지는 표적 조직 내의 2개 이상의 관심 영역에 인가될 수 있고, 2개 이상의 관심 영역의 총 부피는 조직의 총 부피의 약 90%, 50%, 25%, 10%, 또는 5% 미만일 수 있다. 일 실시예에서, 에너지는 조직의 총 부피의 약 1%~50%에만 인가되거나, 조직의 총 부피의 약 1%~25%에만, 조직의 총 부피의 약 1%~10%에만, 또는 조직의 총 부피의 약 1%~5%에만 인가된다. 특정 실시예에서, 표적 조직의 관심 영역 내의 축삭 말단만이 인가된 에너지를 직접 수신하고 신경 전달 물질을 방출하는 반면, 관심 영역 외부의 자극되지 않은 축삭 말단은 상당한 에너지를 수신하지 않으며, 따라서 동일한 방식으로 활성화/자극되지 않는다. 몇몇 실시예에서, 에너지를 직접 수신하는 조직의 부분들 내의 축삭 말단은 변경된 신경 전달 물질 방출을 유도할 것이다. 이러한 방식으로, 조직 하위 영역들은 입상 방식으로 신경 조절을 위해 표적화될 수 있으며, 예를 들어, 하나 이상의 하위 영역들이 선택될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 에너지 인가 파라미터는 원하는 조합된 생리학적 효과를 유도하기 위해 에너지를 직접 수신하는 조직 내의 신경 또는 비뉴런 성분 중 어느 하나의 우선적 활성화를 유도하도록 선택될 수 있다. 특정 실시예에서, 에너지는 약 25 mm³ 미만의 부피 내에서 집중되거나 쏠릴 수 있다. 특정 실시예에서, 에너지는 약 0.5 mm³ 내지 50 mm³의 부피 내에서 집중되거나 쏠릴 수 있다. 관심 영역 내에서 에너지를 집중시키거나 쏠리게 하기 위한 초점 부피 및 초점 깊이는 에너지 인가 장치(1012)의 크기/구성에 의해 영향을 받을 수 있다. 에너지 인가의 초점 부피는 에너지 인가 장치(1012)의 초점 필드에 의해 정의될 수 있다.

본원에 제공된 바와 같이, 에너지는 표적화된 생리학적 결과를 달성하기 위해 표적화된 방식으로 시냅스를 우선적으로 활성화시키기 위해 관심 영역 또는 관심 영역들에만 실질적으로 인가될 수 있으며, 전체 조직에 걸쳐 일반적 또는 비특이적 방식으로 실질적으로 인가되지 않는다.

개시된 실시예의 기술적 효과는 에너지 항상성을 조절하는 것으로 알려진 다수의 말초 신경 경로를 비침습적으로 자극하기 위한 치료용 초음파의 용도를 포함한다. 개시된 신경 조절 기술의 실시예는 대사 장애를 가진 환자를 치료하기 위한 신경 조절 기술을 포함한다. 본 개시의 특정 실시예는 혈당 조절의 맥락에서 논의된다.

기재된 본 설명은 본 개시의 일부로서 예들을 사용하고, 또한 임의의 장치 또는 시스템을 제조하고 사용하는 것 및 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 임의의 당업자가 개시된 실시예를 실시하는 것을 가능하게 한다. 특허 가능한 범주는 청구범위에 의해 한정되며, 당업자에게 떠오르는 다른 예들을 포함할 수 있다. 그러한 다른 예들은 그들이 청구범위의 문자 언어와 상이하지 않은 구조적 요소들을 갖는 경우, 또는 그들이 청구범위의 문자 언어와 실질적인 차이가 없는 등가의 구조적 요소들을 포함하는 경우 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims

치료 방법으로서,
대상체에서 후기 반응 유전자를 활성화시키는 데 효과적인 기간 동안 대상체의 조직을 비침습적으로 자극하는 단계를 포함하고,
후기 반응 유전자의 활성화는 에너지 항상성에 영향을 미치는 유전자 발현 산물의 발현을 유발하는 치료 방법.
제1항에 있어서, 후기 반응 유전자의 활성화는 연장된 기간 동안 에너지 항상성을 조절하는 치료 방법.
제1항에 있어서, 조직은 하나 이상의 말초 신경 경로의 적어도 일부를 포함하는 치료 방법.
제1항에 있어서, 조직은 뉴로펩티드 Y(NPY) 뉴런 및 프로오피오멜라노코르틴(POMC) 뉴런 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 치료 방법.
제1항에 있어서, 조직은 하나 초과의 말초 신경 경로를 포함하고, 말초 신경 경로는 서로 통신하거나 중추 신경계의 통합 뉴런 또는 세포와 통신하는 치료 방법.
제5항에 있어서, 통합 뉴런은 개재뉴런인 치료 방법.
제1항에 있어서, 후기 반응 유전자는 섬유아세포 성장인자 1(FGF1) 유전자를 포함하는 치료 방법.
제1항에 있어서, 후기 반응 유전자는 단백질 키나아제 R(PKR)-유사 소포체 키나아제(pERK) 경로를 조절하는 치료 방법.
제3항에 있어서, 효과적인 기간 동안 하나 이상의 말초 신경 경로를 비침습적으로 신경 조절하는 것은 FGF1의 생성을 유발하는 치료 방법.
제1항에 있어서, 유전자 발현 산물은 글루코스의 농도에 영향을 미치는 치료 방법.
제1항에 있어서, 조직을 비침습적으로 신경 조절하는 것은 후기 반응 유전자를 활성화시키는 데 효과적인 기간 동안 조직에 초음파 에너지를 인가하는 것을 포함하는 치료 방법.
제11항에 있어서, 하나 이상의 조직에 초음파 에너지를 인가하는 행위는 이온 채널의 TRP 계열에서 선택된 이온 채널의 활성화를 유발하는 치료 방법.
제12항에 있어서, 이온 채널의 TRP 계열에서 선택된 이온 채널은 TRPA1을 포함하는 치료 방법.
제1항에 있어서, 후기 반응 유전자는 대상체의 시상하부에 있는 치료 방법.
제1항에 있어서, 후기 반응 유전자의 활성화는 조기 발현 유전자의 지속적인 발현의 활성화를 포함하는 치료 방법.
다중 부위 신경 조절 치료 방법으로서,
하나 초과의 말초 신경 경로를 조절하기 위해 다중 부위 신경 조절을 비침습적으로 적용하는 단계를 포함하고, 말초 신경 경로는 서로 통신하거나 중추 신경계의 통합 뉴런 또는 세포와 통신하고,
다중 부위 신경 조절은 에너지 항상성에 영향을 미치는 유전자 발현 산물의 발현을 유발하는 후기 반응 유전자의 활성화를 유발하는 다중 부위 신경 조절 치료 방법.
제16항에 있어서, 비침습적 다중 부위 신경 조절은 제1 말초 신경 경로 및 제2 말초 신경 경로에 적용되는 초음파 자극을 포함하는 다중 부위 신경 조절 치료 방법.
제16항에 있어서, 비침습적 다중 부위 신경 조절은 간문맥 신경총 영역 및 상장간막 신경총 영역의 초음파 자극을 포함하는 다중 부위 신경 조절 치료 방법.
제16항에 있어서, 통합 뉴런 또는 세포는 뉴로펩티드 Y(NPY) 뉴런 및 프로오피오멜라노코르틴(POMC) 뉴런을 연결하는 다중 부위 신경 조절 치료 방법.
제16항에 있어서, 후기 반응 유전자는 섬유아세포 성장인자 1(FGF1) 유전자를 포함하는 다중 부위 신경 조절 치료 방법.
제16항에 있어서, 서로 통신하거나 통합 뉴런 또는 세포와 통신하는 말초 신경 경로를 조절하는 것은 FGF1의 생성을 유발하는 다중 부위 신경 조절 치료 방법.
제16항에 있어서, 후기 반응 유전자의 활성화는 조기 발현 유전자의 지속적인 발현의 활성화를 포함하는 다중 부위 신경 조절 치료 방법.
제16항에 있어서, 통합 뉴런은 개재뉴런인 다중 부위 신경 조절 치료 방법.
제16항에 있어서, 하나 초과의 말초 신경 경로를 조절하는 행위는 이온 채널의 TRP 계열에서 선택된 이온 채널의 활성화를 포함하는 다중 부위 신경 조절 치료 방법.
제16항에 있어서, 이온 채널의 TRP 계열에서 선택된 이온 채널은 TRPA1을 포함하는 다중 부위 신경 조절 치료 방법.
신경 민감도 변경 방법으로서,
하나 이상의 말초 신경 경로를 신경 조절하는 단계를 포함하고, 조직을 신경 조절하는 행위는 이온 채널의 TRP 계열에서 선택된 이온 채널의 활성화를 포함하는 신경 민감도 변경 방법.
제26항에 있어서, 이온 채널의 TRP 계열에서 선택된 이온 채널은 TRPA1을 포함하는 신경 민감도 변경 방법.
제26항에 있어서, 하나 이상의 말초 신경 경로를 신경 조절하는 단계는 하나 이상의 말초 신경 경로를 비침습적으로 신경 조절하는 단계를 포함하는 신경 민감도 변경 방법.
제28항에 있어서, 하나 이상의 말초 신경 경로를 신경 조절하는 단계는 하나 이상의 말초 신경 경로에 초음파 에너지를 인가하는 단계를 포함하는 신경 민감도 변경 방법.
대상체에서 대사 장애를 치료하기 위한 시스템으로서,
대상체의 조직을 비침습적으로 표적화하도록 구성된 적어도 하나의 초음파 변환기를 포함하는 에너지 인가 장치; 및
적어도 하나의 초음파 변환기에 연결되어 대상체에서 후기 반응 유전자를 활성화시키고 대사 장애를 치료하거나 완화시키는 데 효과적인 기간 동안 적어도 하나의 초음파 변환기를 사용하여 조직을 자극하도록 구성된 펄스 발생기를 포함하는 시스템.
제30항에 있어서, 후기 반응 유전자의 활성화는 조기 발현 유전자의 지속적인 발현의 활성화를 포함하는 시스템.
제30항에 있어서, 조직은 말초 신경 경로의 적어도 일부를 포함하는 시스템.
제32항에 있어서, 말초 신경 경로는 간문맥 신경총 또는 상장간막 신경총의 적어도 일부를 포함하는 시스템.
제30항에 있어서, 조직은 하나 초과의 말초 신경 경로를 포함하고, 말초 신경 경로는 서로 통신하거나 중추 신경계의 통합 뉴런 또는 세포와 통신하는 시스템.
제34항에 있어서, 통합 뉴런은 개재뉴런인 시스템.
제30항에 있어서, 조직을 자극하는 행위는 이온 채널의 TRP 계열에서 선택된 이온 채널의 활성화를 포함하는 시스템.
제36항에 있어서, 이온 채널의 TRP 계열에서 선택된 이온 채널은 TRPA1을 포함하는 시스템.
제30항에 있어서, 조직을 자극하는 행위는 말초 신경 경로의 기계적 변위를 포함하는 시스템.
제30항에 있어서, 후기 반응 유전자는 대상체의 시상하부에 있는 시스템.