Биосовместимый сфокусированный ультразвук доставляет лекарства от рака точно в цель

Дистанционное управление химическими реакциями в биологической среде может обеспечить широкий спектр медицинских применений. Например, способность высвобождать химиотерапевтические препараты в цель в организме может помочь обойти разрушительные побочные эффекты, связанные с этими токсичными соединениями. С этой целью исследователи Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт) создали совершенно новую систему доставки лекарств, которая использует ультразвук для высвобождения диагностических или терапевтических соединений именно тогда и там, где они необходимы.

Платформа, разработанная в лабораториях г. Максвелл Робб и Михаил Шапиро, основан на чувствительных к силе молекулах, известных как механофоры, которые претерпевают химические изменения под воздействием физической силы и высвобождают более мелкие молекулы-грузы. Механический стимул можно обеспечить с помощью фокусированного ультразвука (ФУЗ), который проникает глубоко в биологические ткани и может применяться с субмиллиметровой точностью. Однако более ранние исследования этого метода требовали акустической интенсивности высокой интенсивности, которая вызывала нагрев и могла повредить близлежащие ткани.

Чтобы сделать возможным использование более низких и более безопасных интенсивностей ультразвука, исследователи обратились к газовым пузырькам (ГВ), заполненным воздухом белковым наноструктурам, которые можно использовать в качестве контрастных агентов для ультразвука. Они предположили, что GV могут функционировать как акусто-механические преобразователи, фокусируя энергию ультразвука: при воздействии FUS GV подвергаются кавитации, в результате чего энергия активирует механофор.

«Приложение силы посредством ультразвука обычно зависит от очень интенсивных условий, которые вызывают взрыв крошечных пузырьков растворенного газа», — объясняет соавтор. Молли Макфадден в заявлении для прессы. «Их коллапс является источником механической силы, активирующей механофор. Везикулы имеют повышенную чувствительность к ультразвуку. Используя их, мы обнаружили, что такая же активация механофора может быть достигнута и при гораздо более слабом ультразвуке».

Сообщая о своих выводах в Труды Национальной академии наукИсследователи демонстрируют, что этот подход может удаленно инициировать высвобождение молекул груза из полимеров, функционализированных механофорами, с использованием биосовместимого FUS.

Развитие доставки лекарств

Макфадден и его коллеги впервые определили безопасные параметры ультразвука для физиологических целей. Эксперименты с FUS 330 кГц выявили биосовместимый верхний предел пикового отрицательного давления 1.47 МПа с рабочим циклом 4.5% (3000 циклов на импульс), что привело к акустической интенсивности 3.6 Вт/см.². В гелевом фантоме, имитирующем ткань, эти параметры привели к максимальному повышению температуры всего на 3.6 °C.

Затем исследователи исследовали, может ли FUS активировать содержащие механофор полимеры, используя эти биосовместимые параметры. Они изучили полимер PMSEA, содержащий механофор с центром в цепи, нагруженный небольшой флюорогенной молекулой. Воздействие разбавленного раствора этого полимера на биосовместимый FUS в присутствии GV привело к сильному увеличению флуоресценции, что указывает на успешное высвобождение полезной нагрузки - высвобождение примерно 15% после 10 минут воздействия FUS. Важно отметить, что воздействие FUS без GV не вызвало флуорогенного ответа, подтверждая, что GV играют важную роль в качестве акустомеханических преобразователей.

Затем исследователи проверили, подходит ли система для механического высвобождения лекарств. Они конъюгировали химиотерапевтический агент камптотецин с механофором с последующей полимеризацией для создания PMSEA-CPT и использовали FUS для обеспечения контролируемого высвобождения. После 10-минутного воздействия биосовместимого FUS плюс GV высвобождалось примерно 8% камптотецина. Как обнаружено для флуорогенной молекулы, высвобождения лекарственного средства в отсутствие ГВ не обнаружено.

По словам соавтора Юсин ЯоВпервые было продемонстрировано, что FUS контролирует конкретную химическую реакцию в биологических условиях. «Раньше ультразвук использовался для разрушения или перемещения вещей», — говорит Яо. «Но теперь для нас открывается новый путь использования механохимии».

Чтобы оценить будущий потенциал платформы для таргетной химиотерапии пациентов, исследователи исследовали ее цитотоксичность. в пробирке на лимфобластоподобных клетках Раджи. Клетки, инкубированные в течение двух дней с PMSEA-CPT, ранее подвергавшиеся воздействию FUS и GV, демонстрировали значительное снижение жизнеспособности. Напротив, в клетках, инкубированных с PMSEA-CPT, которые не подвергались воздействию FUS, или PMSEA-CPT, подвергнутых воздействию FUS, но без GV, не наблюдалось значительной цитотоксичности.

Имплантируемое устройство, активируемое светом, обеспечивает программируемую доставку лекарств.

«Механически вызванное высвобождение молекулярных полезных нагрузок из полимеров в водных средах иллюстрирует силу этого подхода для неинвазивной биовизуализации и терапевтического применения механохимии полимеров», — пишут исследователи. «В более широком смысле, это исследование демонстрирует подход к достижению дистанционного контроля конкретных химических реакций в биомедицинских условиях с пространственно-временной точностью и проникновением в ткани, обеспечиваемыми FUS».

После этих первоначальных испытаний в контролируемых лабораторных условиях исследователи теперь планируют протестировать свою платформу на живых организмах. «Мы работаем над тем, чтобы перевести это фундаментальное открытие на в естественных условиях приложения для доставки лекарств и других биомедицинских технологий», — рассказывает Робб. Мир физики.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/biocompatible-focused-ultrasound-delivers-cancer-drugs-on-target/