Ο βιοσυμβατός εστιασμένος υπέρηχος παρέχει αντικαρκινικά φάρμακα στον στόχο - Physics World

Ο βιοσυμβατός εστιασμένος υπέρηχος παρέχει αντικαρκινικά φάρμακα στον στόχο - Physics World

Χρονική σήμανση: 6 Οκτωβρίου 2023 4:30 π.μ.

Ελεγχόμενη απελευθέρωση φορτίου με χρήση εστιασμένου υπερήχου
Ελεγχόμενη απελευθέρωση Το φιαλίδιο στα αριστερά περιέχει ένα διάλυμα με μια φθορίζουσα χρωστική ουσία συνδεδεμένη σε ένα μηχανοφόρο. Στο φιαλίδιο στα δεξιά, η χρωστική έχει απελευθερωθεί από το μηχανοφόρο με έκθεση σε εστιασμένο υπερήχο. (Εγέρεια: Caltech)

Ο εξ αποστάσεως έλεγχος των χημικών αντιδράσεων σε βιολογικά περιβάλλοντα θα μπορούσε να επιτρέψει ένα ευρύ φάσμα ιατρικών εφαρμογών. Η ικανότητα απελευθέρωσης φαρμάκων χημειοθεραπείας στον στόχο στο σώμα, για παράδειγμα, θα μπορούσε να βοηθήσει στην παράκαμψη των επιβλαβών παρενεργειών που σχετίζονται με αυτές τις τοξικές ενώσεις. Με αυτόν τον στόχο, ερευνητές στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (caltech) έχουν δημιουργήσει ένα εντελώς νέο σύστημα χορήγησης φαρμάκων που χρησιμοποιεί υπερήχους για την απελευθέρωση διαγνωστικών ή θεραπευτικών ενώσεων ακριβώς όταν και όπου χρειάζονται.

Η πλατφόρμα, που αναπτύχθηκε στα εργαστήρια του Μάξγουελ Ρομπ και Μιχαήλ Σαπίρο, βασίζεται σε ευαίσθητα στη δύναμη μόρια γνωστά ως μηχανοφόρα που υφίστανται χημικές αλλαγές όταν υποβάλλονται σε φυσική δύναμη και απελευθερώνουν μικρότερα μόρια φορτίου. Το μηχανικό ερέθισμα μπορεί να παρέχεται μέσω εστιασμένου υπερήχου (FUS), ο οποίος διεισδύει βαθιά στους βιολογικούς ιστούς και μπορεί να εφαρμοστεί με ακρίβεια υποχιλιοστών. Προηγούμενες μελέτες για αυτή τη μέθοδο, ωστόσο, απαιτούσαν υψηλές ακουστικές εντάσεις που προκαλούν θέρμανση και θα μπορούσαν να βλάψουν τον κοντινό ιστό.

Για να επιτρέψουν τη χρήση χαμηλότερων – και ασφαλέστερων – εντάσεων υπερήχων, οι ερευνητές στράφηκαν σε κυστίδια αερίων (GVs), νανοδομές πρωτεΐνης γεμάτες αέρα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως παράγοντες αντίθεσης υπερήχων. Υπέθεσαν ότι τα GV θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως ακουστικο-μηχανικοί μετατροπείς για να εστιάζουν την ενέργεια των υπερήχων: όταν εκτίθενται σε FUS, τα GV υφίστανται σπηλαίωση με την προκύπτουσα ενέργεια να ενεργοποιεί τον μηχανοφόρο.

«Η εφαρμογή δύναμης μέσω του υπερήχου συνήθως βασίζεται σε πολύ έντονες συνθήκες που προκαλούν την έκρηξη μικροσκοπικών φυσαλίδων διαλυμένου αερίου», εξηγεί ο πρώτος συγγραφέας. Μόλι ΜακΦάντεν σε δήλωση τύπου. «Η κατάρρευσή τους είναι η πηγή της μηχανικής δύναμης που ενεργοποιεί τον μηχανοφόρο. Τα κυστίδια έχουν αυξημένη ευαισθησία στον υπέρηχο. Χρησιμοποιώντας τα, διαπιστώσαμε ότι η ίδια ενεργοποίηση μηχανοφόρων μπορεί να επιτευχθεί με πολύ πιο αδύναμο υπερηχογράφημα».

Αναφέρουν τα ευρήματά τους στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, οι ερευνητές αποδεικνύουν ότι αυτή η προσέγγιση μπορεί να πυροδοτήσει εξ αποστάσεως την απελευθέρωση μορίων φορτίου από πολυμερή που έχουν λειτουργήσει με μηχανοφόρα χρησιμοποιώντας βιοσυμβατό FUS.

Ανάπτυξη χορήγησης φαρμάκων

Ο McFadden και οι συνεργάτες του εντόπισαν για πρώτη φορά τις ασφαλείς παραμέτρους υπερήχων για φυσιολογικές εφαρμογές. Πειράματα με FUS 330 kHz αποκάλυψαν βιοσυμβατό ανώτερο όριο 1.47 MPa μέγιστης αρνητικής πίεσης με κύκλο λειτουργίας 4.5% (3000 κύκλοι ανά παλμό), με αποτέλεσμα ακουστική ένταση 3.6 W/cm2. Σε ένα φάντασμα γέλης που μιμείται τον ιστό, αυτές οι παράμετροι οδήγησαν σε μέγιστη αύξηση θερμοκρασίας μόνο 3.6 °C.

Οι ερευνητές στη συνέχεια διερεύνησαν εάν το FUS θα μπορούσε να ενεργοποιήσει πολυμερή που περιέχουν μηχανοφόρα χρησιμοποιώντας αυτές τις βιοσυμβατές παραμέτρους. Μελέτησαν το πολυμερές PMSEA που περιέχει ένα μηχανοφόρο με κέντρο αλυσίδας φορτωμένο με ένα φθορογόνο μικρό μόριο. Η έκθεση ενός αραιού διαλύματος αυτού του πολυμερούς σε βιοσυμβατό FUS παρουσία GV είχε ως αποτέλεσμα μια ισχυρή αύξηση του φθορισμού, υποδεικνύοντας επιτυχή απελευθέρωση του ωφέλιμου φορτίου – περίπου 15% απελευθέρωση μετά από 10 λεπτά έκθεσης σε FUS. Είναι σημαντικό ότι η έκθεση σε FUS χωρίς τα GV δεν πυροδότησε μια φθορογόνο απόκριση, επιβεβαιώνοντας ότι τα GV διαδραματίζουν ουσιαστικό ρόλο ως ακουστικο-μηχανικοί μετατροπείς.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές εξέτασαν εάν το σύστημα ήταν κατάλληλο για μηχανικά ενεργοποιούμενη απελευθέρωση φαρμάκου. Σύζευσαν τον παράγοντα χημειοθεραπείας καμπτοθεκίνη με το μηχανοφόρο και ακολούθησε πολυμερισμό για να δημιουργήσουν PMSEA-CPT και χρησιμοποίησαν FUS για να παρέχουν ελεγχόμενη απελευθέρωση. Μετά από 10 λεπτά έκθεσης σε βιοσυμβατά FUS plus GVs, απελευθερώθηκε περίπου το 8% της καμπτοθεκίνης. Όπως βρέθηκε για το φθορογόνο μόριο, δεν ανιχνεύτηκε απελευθέρωση φαρμάκου απουσία GV.

Σύμφωνα με τον πρώτο συγγραφέα Γιούξινγκ Γιάο, αυτή είναι η πρώτη φορά που έχει αποδειχθεί ότι το FUS ελέγχει μια συγκεκριμένη χημική αντίδραση σε βιολογικό περιβάλλον. «Προηγουμένως ο υπέρηχος είχε χρησιμοποιηθεί για να διαταράξει τα πράγματα ή να μετακινήσει πράγματα», λέει ο Yao. "Αλλά τώρα ανοίγει αυτό το νέο μονοπάτι για εμάς χρησιμοποιώντας τη μηχανοχημεία."

Για να αξιολογήσουν τις μελλοντικές δυνατότητες της πλατφόρμας για στοχευμένη χημειοθεραπεία σε ασθενείς, οι ερευνητές διερεύνησαν την κυτταροτοξικότητά της in vitro σε κύτταρα Raji που μοιάζουν με λεμφοβλάστες. Κύτταρα που επωάστηκαν για δύο ημέρες με PMSEA-CPT που είχαν προηγουμένως εκτεθεί σε FUS και GVs εμφάνισαν σημαντική μείωση στη βιωσιμότητα. Αντίθετα, δεν παρατηρήθηκε σημαντική κυτταροτοξικότητα σε κύτταρα που επωάστηκαν με PMSEA-CPT που δεν είχαν εκτεθεί σε FUS ή PMSEA-CPT που είχαν εκτεθεί σε FUS αλλά χωρίς GV.

«Η μηχανικά ενεργοποιημένη απελευθέρωση μοριακών ωφέλιμων φορτίων από πολυμερή σε υδατικά μέσα δείχνει τη δύναμη αυτής της προσέγγισης για μη επεμβατικές βιοαπεικονίσεις και θεραπευτικές εφαρμογές της μηχανοχημείας πολυμερών», γράφουν οι ερευνητές. «Ευρύτερα, αυτή η μελέτη καταδεικνύει μια προσέγγιση για την επίτευξη απομακρυσμένου ελέγχου συγκεκριμένων χημικών αντιδράσεων υπό βιοϊατρικά σχετικές συνθήκες με τη χωροχρονική ακρίβεια και τη διείσδυση στους ιστούς που παρέχει το FUS».

Μετά από αυτές τις αρχικές δοκιμές υπό ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες, οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να δοκιμάσουν την πλατφόρμα τους σε ζωντανούς οργανισμούς. «Εργαζόμαστε για να μεταφράσουμε αυτή τη θεμελιώδη ανακάλυψη ίη νίνο εφαρμογές για διανομή φαρμάκων και άλλες βιοϊατρικές τεχνολογίες», λέει ο Robb Κόσμος Φυσικής.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής