Biokompatybilne skupione ultradźwięki dostarczają docelowe leki przeciwnowotworowe

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Kontrolowane uwalnianie ładunku za pomocą skupionych ultradźwięków — **Kontrolowane uwalnianie** Fiolka po lewej stronie zawiera roztwór z pigmentem fluorescencyjnym związanym z mechanoforem. W fiolce po prawej stronie pigment został uwolniony z mechanoforu w wyniku wystawienia na działanie skupionych ultradźwięków. (Dzięki uprzejmości: Caltech)

Zdalna kontrola reakcji chemicznych w środowiskach biologicznych może umożliwić różnorodne zastosowania medyczne. Na przykład zdolność do docelowego uwalniania leków stosowanych w chemioterapii w organizmie może pomóc w ominięciu szkodliwych skutków ubocznych związanych z tymi toksycznymi związkami. W tym celu naukowcy z California Institute of Technology (Caltech) stworzyli całkowicie nowy system dostarczania leku, który wykorzystuje ultradźwięki do uwalniania związków diagnostycznych lub terapeutycznych dokładnie wtedy i tam, gdzie są potrzebne.

Platforma opracowana w laboratoriach m.in Maxwella Robba i Mikhail Shapiro, opiera się na cząsteczkach wrażliwych na siłę, zwanych mechanoforami, które pod wpływem siły fizycznej ulegają zmianom chemicznym i uwalniają mniejsze cząsteczki ładunku. Stymulacja mechaniczna może być zapewniona za pomocą skupionych ultradźwięków (FUS), które wnikają głęboko w tkanki biologiczne i mogą być stosowane z submilimetrową precyzją. Wcześniejsze badania nad tą metodą wymagały jednak wysokiego natężenia dźwięku, które powodowało nagrzewanie i mogło uszkodzić pobliskie tkanki.

Aby umożliwić stosowanie niższych – i bezpieczniejszych – intensywności ultradźwięków, naukowcy wykorzystali pęcherzyki gazowe (GV), czyli nanostruktury białkowe wypełnione powietrzem, które można stosować jako ultradźwiękowe środki kontrastowe. Postawili hipotezę, że GV mogą działać jako przetworniki akustyczno-mechaniczne skupiające energię ultradźwiękową: pod wpływem FUS GV ulegają kawitacji, a uzyskana energia aktywuje mechanofor.

„Przyłożenie siły za pomocą ultradźwięków zwykle opiera się na bardzo intensywnych warunkach, które powodują implozję maleńkich pęcherzyków rozpuszczonego gazu” – wyjaśnia współautor Molly McFadden w oświadczeniu prasowym. „Ich zapadnięcie się jest źródłem siły mechanicznej, która aktywuje mechanofor. Pęcherzyki mają zwiększoną wrażliwość na ultradźwięki. Korzystając z nich, odkryliśmy, że tę samą aktywację mechanoforów można osiągnąć przy znacznie słabszych ultradźwiękach”.

Zgłaszanie swoich ustaleń w Proceedings of the National Academy of Sciencesnaukowcy wykazali, że takie podejście może zdalnie wywołać uwalnianie cząsteczek ładunku z polimerów funkcjonalizowanych mechanoforami przy użyciu biokompatybilnego FUS.

Rozwój dostarczania leków

McFadden i współpracownicy jako pierwsi zidentyfikowali bezpieczne parametry ultradźwięków do zastosowań fizjologicznych. Eksperymenty z FUS 330 kHz wykazały biokompatybilną górną granicę wynoszącą 1.47 MPa szczytowego podciśnienia przy cyklu pracy 4.5% (3000 cykli na impuls), co daje natężenie akustyczne 3.6 W/cm². W fantomie żelowym imitującym tkankę parametry te doprowadziły do maksymalnego wzrostu temperatury o zaledwie 3.6°C.

Następnie badacze sprawdzili, czy FUS może aktywować polimery zawierające mechanofory przy użyciu tych biokompatybilnych parametrów. Badali polimer PMSEA zawierający mechanofor umieszczony centralnie na łańcuchu, obciążony fluorogenną małą cząsteczką. Wystawienie rozcieńczonego roztworu tego polimeru na działanie biokompatybilnego FUS w obecności GV spowodowało silny wzrost fluorescencji, wskazując na pomyślne uwolnienie ładunku – około 15% uwolnienia po 10 minutach ekspozycji na FUS. Co ważne, ekspozycja na FUS bez GV nie wywołała reakcji fluorogennej, co potwierdza, że GV odgrywają zasadniczą rolę jako przetworniki akustyczno-mechaniczne.

Następnie naukowcy sprawdzili, czy system nadawał się do mechanicznie wyzwalanego uwalniania leku. Sprzężono środek chemioterapeutyczny, kamptotecynę, z mechanoforem, a następnie przeprowadzono polimeryzację, aby utworzyć PMSEA-CPT, i wykorzystano FUS, aby zapewnić kontrolowane uwalnianie. Po 10 minutach ekspozycji na biokompatybilny FUS plus GV uwolniło się około 8% kamptotecyny. Jak stwierdzono w przypadku cząsteczki fluorogennej, nie wykryto uwalniania leku w przypadku braku GV.

Według współpierwszego autora Yuxing Yaopo raz pierwszy wykazano, że FUS kontroluje określoną reakcję chemiczną w środowisku biologicznym. „Wcześniej do zakłócania lub przemieszczania obiektów używano ultradźwięków” – mówi Yao. „Ale teraz otwiera przed nami nową ścieżkę dzięki zastosowaniu mechanochemii”.

Aby ocenić przyszły potencjał platformy w zakresie celowanej chemioterapii u pacjentów, naukowcy zbadali jej cytotoksyczność in vitro na komórkach Raji podobnych do limfoblastów. Komórki inkubowane przez dwa dni z PMSEA-CPT wcześniej wystawione na działanie FUS i GV wykazywały znaczny spadek żywotności. Przeciwnie, nie zaobserwowano znaczącej cytotoksyczności w komórkach inkubowanych z PMSEA-CPT, które nie były eksponowane na FUS lub PMSEA-CPT eksponowanych na FUS, ale bez GV.

Technologia implantacji wyzwalana światłem

Wszczepialne urządzenie wyzwalane światłem zapewnia programowalne dostarczanie leku

„Mechanicznie wyzwalane uwalnianie ładunków molekularnych z polimerów w środowisku wodnym ilustruje siłę tego podejścia w nieinwazyjnym bioobrazowaniu i terapeutycznych zastosowaniach mechanochemii polimerów” – piszą naukowcy. „Mówiąc szerzej, to badanie demonstruje podejście umożliwiające zdalną kontrolę określonych reakcji chemicznych w warunkach istotnych biomedycznie z precyzją czasoprzestrzenną i penetracją tkanek zapewnianą przez FUS”.

Po tych wstępnych testach w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych naukowcy planują teraz przetestować swoją platformę na żywych organizmach. „Pracujemy nad przełożeniem tego fundamentalnego odkrycia na in vivo zastosowań w dostarczaniu leków i innych technologiach biomedycznych” – mówi Robb Świat Fizyki.