Biokompatibelt fokuserat ultraljud ger cancerläkemedel på mål

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Kontrollerad lastutlösning med fokuserat ultraljud — **Kontrollerad frisättning** Flaskan till vänster innehåller en lösning med ett fluorescerande pigment bundet i en mekanofor. I flaskan till höger har pigmentet frigjorts från mekanoforen genom exponering för fokuserat ultraljud. (Courtey: Caltech)

Fjärrstyrning av kemiska reaktioner i biologiska miljöer kan möjliggöra en mängd olika medicinska tillämpningar. Förmågan att frigöra kemoterapiläkemedel på mål i kroppen, till exempel, kan hjälpa till att kringgå de skadliga biverkningarna som är förknippade med dessa giftiga föreningar. Med detta syfte har forskare vid California Institute of Technology (Caltech) har skapat ett helt nytt läkemedelsleveranssystem som använder ultraljud för att frigöra diagnostiska eller terapeutiska föreningar exakt när och var de behövs.

Plattformen, utvecklad i labbet av Maxwell Robb och Mikhail Shapiro, är baserad på kraftkänsliga molekyler kända som mekanoforer som genomgår kemiska förändringar när de utsätts för fysisk kraft och frigör mindre lastmolekyler. Den mekaniska stimulansen kan tillhandahållas via fokuserat ultraljud (FUS), som tränger djupt in i biologiska vävnader och kan appliceras med submillimeterprecision. Tidigare studier av denna metod krävde dock höga akustiska intensiteter som orsakar uppvärmning och kan skada närliggande vävnad.

För att möjliggöra användningen av lägre – och säkrare – ultraljudsintensiteter vände sig forskarna till gasvesikler (GV), luftfyllda proteinnanostrukturer som kan användas som ultraljudskontrastmedel. De antog att GV:erna kunde fungera som akustomekaniska givare för att fokusera ultraljudsenergin: när de utsätts för FUS genomgår GV:erna kavitation med den resulterande energin som aktiverar mekanoforen.

"Att applicera kraft genom ultraljud är vanligtvis beroende av mycket intensiva förhållanden som utlöser implosionen av små upplösta gasbubblor", förklarar medförfattaren Molly McFadden i ett pressmeddelande. "Deras kollaps är källan till mekanisk kraft som aktiverar mekanoforen. Vesiklerna har ökad känslighet för ultraljud. Genom att använda dem fann vi att samma mekanoforaktivering kan uppnås under mycket svagare ultraljud."

Rapportera sina fynd i Proceedings of the National Academy of Sciences, visar forskarna att detta tillvägagångssätt kan på distans utlösa frisättningen av lastmolekyler från mekanoforfunktionaliserade polymerer med hjälp av biokompatibel FUS.

Utveckling av läkemedelsleverans

McFadden och kollegor identifierade först de säkra ultraljudsparametrarna för fysiologiska tillämpningar. Experiment med 330 kHz FUS avslöjade en biokompatibel övre gräns på 1.47 MPa toppundertryck med en 4.5 % arbetscykel (3000 cykler per puls), vilket resulterade i en akustisk intensitet på 3.6 W/cm². I en vävnadsliknande gelfantom ledde dessa parametrar till en maximal temperaturökning på endast 3.6 °C.

Forskarna undersökte sedan om FUS kunde aktivera mekanofor-innehållande polymerer med hjälp av dessa biokompatibla parametrar. De studerade polymeren PMSEA innehållande en kedjecentrerad mekanofor laddad med en fluorogen liten molekyl. Att exponera en utspädd lösning av denna polymer för biokompatibel FUS i närvaro av GV resulterade i en kraftig ökning av fluorescensen, vilket indikerar framgångsrik frisättning av nyttolasten - cirka 15 % frisättning efter 10 min FUS-exponering. Viktigt är att FUS-exponering utan GV inte utlöste ett fluorogent svar, vilket bekräftar att GVs spelar en viktig roll som akustomekaniska givare.

Därefter undersökte forskarna om systemet var lämpligt för mekaniskt utlöst läkemedelsfrisättning. De konjugerade kemoterapimedlet kamptotecin till mekanoforen följt av polymerisation för att skapa PMSEA-CPT och använde FUS för att ge kontrollerad frisättning. Efter 10 minuters exponering för biokompatibla FUS plus GVs frigjordes cirka 8 % av kamptotecin. Såsom konstaterats för den fluorogena molekylen detekterades ingen läkemedelsfrisättning i frånvaro av GV.

Enligt co-förste författare Yuxing Yao, är detta första gången som FUS har visat sig kontrollera en specifik kemisk reaktion i en biologisk miljö. "Tidigare har ultraljud använts för att störa saker eller flytta saker," säger Yao. "Men nu öppnar det denna nya väg för oss genom att använda mekanokemi."

För att bedöma plattformens framtida potential för riktad kemoterapi hos patienter undersökte forskarna dess cytotoxicitet vitro på lymfoblastliknande Raji-celler. Celler inkuberade i två dagar med PMSEA-CPT som tidigare exponerats för FUS och GV uppvisade en signifikant minskning av livsduglighet. Däremot sågs ingen signifikant cytotoxicitet i celler inkuberade med PMSEA-CPT som inte hade exponerats för FUS eller PMSEA-CPT exponerade för FUS men utan GV.

Ljusutlöst implanterbar enhet ger programmerbar läkemedelsleverans

"Den mekaniskt utlösta frisättningen av molekylära nyttolaster från polymerer i vattenhaltiga medier illustrerar kraften i detta tillvägagångssätt för icke-invasiv bioavbildning och terapeutiska tillämpningar av polymermekanokemi," skriver forskarna. "Mer allmänt visar denna studie ett tillvägagångssätt för att uppnå fjärrkontroll av specifika kemiska reaktioner under biomedicinskt relevanta förhållanden med den spatiotemporala precisionen och vävnadspenetrationen som FUS ger."

Efter dessa inledande tester under kontrollerade laboratorieförhållanden planerar forskarna nu att testa sin plattform i levande organismer. "Vi arbetar med att översätta denna grundläggande upptäckt till in vivo- tillämpningar för läkemedelstillförsel och andra biomedicinska teknologier, säger Robb Fysikvärlden.