אולטרסאונד ממוקד ביו-תואם מספק תרופות לסרטן במטרה - עולם הפיזיקה

שליטה מרחוק על תגובות כימיות בסביבות ביולוגיות יכולה לאפשר מגוון רחב של יישומים רפואיים. היכולת לשחרר תרופות כימותרפיות במטרה בגוף, למשל, יכולה לעזור לעקוף את תופעות הלוואי המזיקות הקשורות לתרכובות הרעילות הללו. במטרה זו, חוקרים במכון הטכנולוגי של קליפורניה (קלטק) יצרו מערכת חדשה לגמרי למתן תרופות המשתמשת באולטרסאונד כדי לשחרר תרכובות אבחנתיות או טיפוליות בדיוק מתי והיכן שהן נחוצות.

הפלטפורמה, שפותחה במעבדות של מקסוול רוב ו מיכאיל שפירו, מבוסס על מולקולות רגישות לכוח הידועות כמכנופורות שעוברות שינויים כימיים כשהן נתונות לכוח פיזי ומשחררות מולקולות מטען קטנות יותר. ניתן לספק את הגירוי המכני באמצעות אולטרסאונד ממוקד (FUS), אשר חודר עמוק לתוך רקמות ביולוגיות וניתן ליישם אותו בדיוק של תת-מילימטר. לעומת זאת, מחקרים קודמים על שיטה זו דרשו עוצמות אקוסטיות גבוהות הגורמות לחימום ועלולות לפגוע ברקמה הקרובה.

כדי לאפשר שימוש בעוצמות אולטרסאונד נמוכות יותר - ובטוחות יותר, החוקרים פנו לשפוחית ​​גז (GVs), ננו-מבנים חלבוניים מלאי אוויר שיכולים לשמש כחומרי ניגוד אולטרסאונד. הם שיערו שה-GVs יכולים לתפקד כמתמרים אקוסטו-מכאניים כדי למקד את אנרגיית האולטרסאונד: כאשר הם נחשפים ל-FUS, ה-GVs עוברים קיטציה כשהאנרגיה המתקבלת מפעילה את המכנופור.

"הפעלת כוח באמצעות אולטרסאונד מסתמכת בדרך כלל על תנאים אינטנסיביים מאוד המעוררים התפרצות של בועות גז זעירות מומסות", מסביר המחבר הראשון מולי מקפאדן בהצהרה לעיתונות. "ההתמוטטות שלהם היא מקור הכוח המכני שמפעיל את המכנופור. לשלפוחיות יש רגישות מוגברת לאולטרסאונד. באמצעותם, מצאנו שניתן להשיג את אותה הפעלה של מכנופור באולטרסאונד חלש בהרבה."

דיווח על ממצאיהם ב- PNAS של האקדמיה הלאומית למדעים, החוקרים מדגימים שגישה זו יכולה לעורר מרחוק שחרור של מולקולות מטען מפולימרים מתפקדי מכנופור באמצעות FUS תואם ביולוגי.

פיתוח מתן תרופות

McFadden ועמיתיו זיהו לראשונה את פרמטרי האולטרסאונד הבטוחים ליישומים פיזיולוגיים. ניסויים עם 330 kHz FUS גילו גבול עליון תואם ביולוגי של שיא לחץ שלילי של 1.47 MPa עם מחזור עבודה של 4.5% (3000 מחזורים לפולס), וכתוצאה מכך עוצמה אקוסטית של 3.6 W/cm². בפנטום ג'ל מחקה רקמות, פרמטרים אלו הובילו לעלייה מרבית בטמפרטורה של 3.6 מעלות צלזיוס בלבד.

החוקרים חקרו אם FUS יכול להפעיל פולימרים המכילים מכנופור באמצעות פרמטרים ביו-תואמים אלה. הם חקרו את הפולימר PMSEA המכיל מכנופור במרכז שרשרת עמוס במולקולה קטנה פלואורגני. חשיפת תמיסה מדוללת של פולימר זה ל-FUS תואם ביולוגי בנוכחות GVs הובילה לעלייה חזקה של הקרינה, דבר המעיד על שחרור מוצלח של המטען - כ-15% שחרור לאחר 10 דקות של חשיפה ל-FUS. חשוב לציין, חשיפת FUS ללא ה-GVs לא עוררה תגובה פלואורגנית, מה שמאשר כי GVs ממלאים תפקיד חיוני כמתמרים אקוסטו-מכניים.

לאחר מכן, החוקרים בדקו האם המערכת מתאימה לשחרור תרופות מכני. הם צימדו את הסוכן הכימותרפי Camptothecin למכאנופור ואחריו פילמור ליצירת PMSEA-CPT, והשתמשו ב-FUS כדי לספק שחרור מבוקר. לאחר חשיפה של 10 דקות ל-FUS תואם ביולוגי פלוס GVs, שוחררו כ-8% מהקמפטוצין. כפי שנמצא עבור המולקולה הפלואוגנית, לא זוהה שחרור תרופה בהיעדר GVs.

לדברי המחבר הראשון יוקסינג יאו, זו הפעם הראשונה שבה הוכח ש-FUS שולט בתגובה כימית ספציפית בסביבה ביולוגית. "בעבר השתמשו באולטרסאונד כדי לשבש דברים או להזיז דברים", אומר יאו. "אבל עכשיו זה פותח לנו את הנתיב החדש הזה באמצעות מכנוכימיה."

כדי להעריך את הפוטנציאל העתידי של הפלטפורמה לכימותרפיה ממוקדת בחולים, החוקרים חקרו את הציטוטוקסיות שלה חוץ גופית על תאי ראג'י דמויי לימפובלסט. תאים שהודגרו במשך יומיים עם PMSEA-CPT שנחשפו בעבר ל-FUS ו-GVs הפגינו ירידה משמעותית בכדאיות. לעומת זאת, לא נראתה ציטוטוקסיות משמעותית בתאים שהודגרו עם PMSEA-CPT שלא נחשפו ל-FUS או PMSEA-CPT שנחשפו ל-FUS אך ללא GVs.

מכשיר מושתל המופעל על ידי אור מספק אספקת תרופות ניתנת לתכנות

"השחרור המכני של מטענים מולקולריים מפולימרים במדיה מימית ממחיש את כוחה של גישה זו עבור הדמיה ביולוגית לא פולשנית ויישומים טיפוליים של מכנוכימיה של פולימרים", כותבים החוקרים. "באופן רחב יותר, מחקר זה מדגים גישה להשגת שליטה מרחוק על תגובות כימיות ספציפיות בתנאים רלוונטיים מבחינה ביו-רפואית עם הדיוק המרחבי-טמפורלי וחדירת הרקמות שמעניק FUS."

בעקבות בדיקות ראשוניות אלה בתנאי מעבדה מבוקרים, החוקרים מתכננים כעת לבדוק את הפלטפורמה שלהם באורגניזמים חיים. "אנחנו עובדים כדי לתרגם את הגילוי הבסיסי הזה ל in vivo יישומים לאספקת תרופות וטכנולוגיות ביו-רפואיות אחרות", אומר רוב עולם הפיזיקה.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/biocompatible-focused-ultrasound-delivers-cancer-drugs-on-target/