Les ultrasons focalisés biocompatibles délivrent des médicaments anticancéreux sur leur cible – Physics World

Le contrôle à distance des réactions chimiques dans les environnements biologiques pourrait permettre une large gamme d’applications médicales. La capacité à libérer des médicaments de chimiothérapie sur une cible dans l’organisme, par exemple, pourrait aider à contourner les effets secondaires néfastes associés à ces composés toxiques. Dans ce but, des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) ont créé un tout nouveau système d'administration de médicaments qui utilise les ultrasons pour libérer des composés diagnostiques ou thérapeutiques précisément au moment et à l'endroit où ils sont nécessaires.

La plateforme, développée dans les laboratoires de Maxwell Robb ainsi que Mikhaïl Shapiro, est basé sur des molécules sensibles à la force, appelées mécanophores, qui subissent des modifications chimiques lorsqu'elles sont soumises à une force physique et libèrent des molécules cargo plus petites. Le stimulus mécanique peut être fourni via des ultrasons focalisés (FUS), qui pénètrent profondément dans les tissus biologiques et peuvent être appliqués avec une précision submillimétrique. Des études antérieures sur cette méthode nécessitaient cependant des intensités acoustiques élevées qui provoquent un échauffement et pourraient endommager les tissus voisins.

Pour permettre l’utilisation d’intensités ultrasonores plus faibles – et plus sûres, les chercheurs se sont tournés vers les vésicules de gaz (GV), des nanostructures protéiques remplies d’air qui peuvent être utilisées comme agents de contraste ultrasonores. Ils ont émis l’hypothèse que les GV pourraient fonctionner comme des transducteurs acousto-mécaniques pour concentrer l’énergie ultrasonore : lorsqu’ils sont exposés au FUS, les GV subissent une cavitation, l’énergie résultante activant le mécanophore.

"L'application d'une force par ultrasons repose généralement sur des conditions très intenses qui déclenchent l'implosion de minuscules bulles de gaz dissous", explique le co-premier auteur. Molly Mc Fadden dans un communiqué de presse. « Leur effondrement est la source d’une force mécanique qui active le mécanophore. Les vésicules ont une sensibilité accrue aux ultrasons. En les utilisant, nous avons découvert que la même activation mécanophore peut être obtenue sous des ultrasons beaucoup plus faibles.

Faire part de leurs découvertes dans le Actes de l'Académie nationale des sciences, les chercheurs démontrent que cette approche peut déclencher à distance la libération de molécules cargo à partir de polymères fonctionnalisés par des mécanophores à l'aide de FUS biocompatibles.

Développement de l’administration de médicaments

McFadden et ses collègues ont été les premiers à identifier les paramètres échographiques sûrs pour les applications physiologiques. Des expériences avec un FUS à 330 kHz ont révélé une limite supérieure biocompatible de 1.47 MPa de pression négative maximale avec un rapport cyclique de 4.5 % (3000 3.6 cycles par impulsion), ce qui donne une intensité acoustique de XNUMX W/cm.². Dans un fantôme de gel imitant les tissus, ces paramètres ont conduit à une augmentation maximale de la température de seulement 3.6 °C.

Les chercheurs ont ensuite étudié si le FUS pouvait activer des polymères contenant des mécanophores en utilisant ces paramètres biocompatibles. Ils ont étudié le polymère PMSEA contenant un mécanophore centré sur une chaîne chargé d'une petite molécule fluorogène. L’exposition d’une solution diluée de ce polymère à du FUS biocompatible en présence de GV a entraîné une forte augmentation de la fluorescence, indiquant une libération réussie de la charge utile – environ 15 % de libération après 10 minutes d’exposition au FUS. Il est important de noter que l’exposition au FUS sans les GV n’a pas déclenché de réponse fluorogénique, confirmant que les GV jouent un rôle essentiel en tant que transducteurs acousto-mécaniques.

Ensuite, les chercheurs ont examiné si le système était adapté à la libération de médicaments déclenchée mécaniquement. Ils ont conjugué l'agent de chimiothérapie camptothécine au mécanophore, suivi d'une polymérisation pour créer du PMSEA-CPT, et ont utilisé le FUS pour assurer une libération contrôlée. Après une exposition de 10 minutes à du FUS biocompatible plus des GV, environ 8 % de camptothécine a été libérée. Comme pour la molécule fluorogène, aucune libération de médicament n’a été détectée en l’absence de GV.

Selon le co-premier auteur Yuxing Yao, c'est la première fois qu'il est démontré que le FUS contrôle une réaction chimique spécifique dans un contexte biologique. «Auparavant, les ultrasons étaient utilisés pour perturber ou déplacer des objets», explique Yao. "Mais maintenant, cela nous ouvre cette nouvelle voie en utilisant la mécanochimie."

Pour évaluer le potentiel futur de la plateforme pour une chimiothérapie ciblée chez les patients, les chercheurs ont étudié sa cytotoxicité in vitro sur les cellules Raji de type lymphoblastique. Les cellules incubées pendant deux jours avec PMSEA-CPT préalablement exposées au FUS et aux GV ont présenté une diminution significative de leur viabilité. En revanche, aucune cytotoxicité significative n'a été observée dans les cellules incubées avec du PMSEA-CPT qui n'avaient pas été exposées au FUS ou du PMSEA-CPT exposé au FUS mais sans GV.

Le dispositif implantable déclenché par la lumière permet une administration programmable de médicaments

"La libération mécaniquement déclenchée de charges moléculaires provenant de polymères dans des milieux aqueux illustre la puissance de cette approche pour la bioimagerie non invasive et les applications thérapeutiques de la mécanochimie des polymères", écrivent les chercheurs. "Plus largement, cette étude démontre une approche permettant de contrôler à distance des réactions chimiques spécifiques dans des conditions biomédicales pertinentes avec la précision spatio-temporelle et la pénétration tissulaire offertes par le FUS."

Après ces premiers tests dans des conditions contrôlées en laboratoire, les chercheurs envisagent désormais de tester leur plateforme sur des organismes vivants. « Nous travaillons à traduire cette découverte fondamentale en in vivo applications pour l'administration de médicaments et d'autres technologies biomédicales », explique Robb Monde de la physique.

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• La source: https://physicsworld.com/a/biocompatible-focused-ultrasound-delivers-cancer-drugs-on-target/