Biokompatibel fokuseret ultralyd leverer kræftlægemidler på mål

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Kontrolleret lastfrigivelse ved hjælp af fokuseret ultralyd — **Kontrolleret frigivelse** Hætteglasset til venstre indeholder en opløsning med et fluorescerende pigment bundet i en mekanophor. I hætteglasset til højre er pigmentet blevet frigivet fra mekanophoren ved eksponering for fokuseret ultralyd. (Courtey: Caltech)

Fjernstyring af kemiske reaktioner i biologiske miljøer kan muliggøre en bred vifte af medicinske anvendelser. Evnen til at frigive kemoterapimedicin på mål i kroppen, for eksempel, kunne hjælpe med at omgå de skadelige bivirkninger forbundet med disse giftige forbindelser. Med dette mål har forskere ved California Institute of Technology (Caltech) har skabt et helt nyt lægemiddelleveringssystem, der bruger ultralyd til at frigive diagnostiske eller terapeutiske forbindelser præcis, når og hvor de er nødvendige.

Platformen, udviklet i laboratorier af Maxwell Robb , Mikhail Shapiro, er baseret på kraftfølsomme molekyler kendt som mekanophorer, der undergår kemiske ændringer, når de udsættes for fysisk kraft og frigiver mindre lastmolekyler. Den mekaniske stimulus kan tilvejebringes via fokuseret ultralyd (FUS), som trænger dybt ind i biologiske væv og kan påføres med submillimeter præcision. Tidligere undersøgelser af denne metode krævede imidlertid høje akustiske intensiteter, der forårsager opvarmning og kunne beskadige nærliggende væv.

For at muliggøre brugen af lavere – og sikrere – ultralydsintensiteter henvendte forskerne sig til gasvesikler (GV'er), luftfyldte protein-nanostrukturer, der kan bruges som ultralydskontrastmidler. De antog, at GV'erne kunne fungere som akusto-mekaniske transducere for at fokusere ultralydsenergien: Når de udsættes for FUS, gennemgår GV'erne kavitation med den resulterende energi, der aktiverer mekanophoren.

"Anvendelse af kraft gennem ultralyd er normalt afhængig af meget intense forhold, der udløser implosionen af små opløste gasbobler," forklarer medforfatter. Molly McFadden i en pressemeddelelse. "Deres sammenbrud er kilden til mekanisk kraft, der aktiverer mekanophoren. Vesiklerne har øget følsomhed over for ultralyd. Ved at bruge dem fandt vi ud af, at den samme mekanophor-aktivering kan opnås under meget svagere ultralyd."

Rapportering af deres resultater i Proceedings of National Academy of Sciences, demonstrerer forskerne, at denne tilgang fjernt kan udløse frigivelsen af lastmolekyler fra mekanophor-funktionaliserede polymerer ved hjælp af biokompatibel FUS.

Udvikling af lægemiddellevering

McFadden og kolleger identificerede først de sikre ultralydsparametre til fysiologiske anvendelser. Eksperimenter med 330 kHz FUS afslørede en biokompatibel øvre grænse på 1.47 MPa maksimalt undertryk med en 4.5 % arbejdscyklus (3000 cyklusser pr. puls), hvilket resulterede i en akustisk intensitet på 3.6 W/cm². I et vævslignende gelfantom førte disse parametre til en maksimal temperaturstigning på kun 3.6 °C.

Forskerne undersøgte derefter, om FUS kunne aktivere mekanophorholdige polymerer ved hjælp af disse biokompatible parametre. De studerede polymeren PMSEA indeholdende en kædecentreret mekanophor fyldt med et fluorogent lille molekyle. Udsættelse af en fortyndet opløsning af denne polymer for biokompatibel FUS i nærvær af GV'er resulterede i en kraftig stigning i fluorescens, hvilket indikerer vellykket frigivelse af nyttelasten - ca. 15 % frigivelse efter 10 minutters FUS-eksponering. Det er vigtigt, at FUS-eksponering uden GV'erne ikke udløste et fluorogent respons, hvilket bekræfter, at GV'er spiller en væsentlig rolle som akustomekaniske transducere.

Dernæst undersøgte forskerne, om systemet var egnet til mekanisk udløst lægemiddelfrigivelse. De konjugerede kemoterapimidlet camptothecin til mekanophoren efterfulgt af polymerisation for at skabe PMSEA-CPT og brugte FUS til at give kontrolleret frigivelse. Efter 10 minutters eksponering for biokompatible FUS plus GV'er blev ca. 8% af camptothecin frigivet. Som fundet for det fluorogene molekyle blev ingen lægemiddelfrigivelse påvist i fravær af GV'er.

Ifølge medførsteforfatter Yuxing Yao, er det første gang, at FUS er blevet påvist at styre en specifik kemisk reaktion i biologiske omgivelser. "Tidligere er ultralyd blevet brugt til at forstyrre ting eller flytte ting," siger Yao. "Men nu åbner det denne nye vej for os ved hjælp af mekanokemi."

For at vurdere platformens fremtidige potentiale for målrettet kemoterapi hos patienter, undersøgte forskerne dens cytotoksicitet vitro på lymfoblastlignende Raji-celler. Celler inkuberet i to dage med PMSEA-CPT tidligere udsat for FUS og GV'er udviste et signifikant fald i levedygtighed. I modsætning hertil blev der ikke set nogen signifikant cytotoksicitet i celler inkuberet med PMSEA-CPT, som ikke var blevet udsat for FUS eller PMSEA-CPT udsat for FUS, men uden GV'er.

Lys-udløst implanterbar enhed giver programmerbar lægemiddellevering

"Den mekanisk udløste frigivelse af molekylære nyttelaster fra polymerer i vandige medier illustrerer styrken af denne tilgang til ikke-invasiv bioimaging og terapeutiske anvendelser af polymermekanokemi," skriver forskerne. "Mere bredt viser denne undersøgelse en tilgang til at opnå fjernstyring af specifikke kemiske reaktioner under biomedicinsk relevante forhold med den spatiotemporale præcision og vævsgennemtrængning, som FUS giver."

Efter disse indledende tests under kontrollerede laboratorieforhold planlægger forskerne nu at teste deres platform i levende organismer. "Vi arbejder på at oversætte denne fundamentale opdagelse til in vivo applikationer til medicinafgivelse og andre biomedicinske teknologier,” fortæller Robb Fysik verden.