Gas-vätskegränssnitt når ett särskilt intresse för biomedicin. Mikrobubblor, ultraljudskontrastmedel av klinisk rutin, fick ökad uppmärksamhet som teranostiska plattformar på grund av den bevarade akustiska responsen, läkemedelskonjugeringsförmågan och användbarheten i biologisk barriäröppning.
Forskare vid Skoltech, MIPT, Prokhorov General Physics Institute of RAS och flera andra institutioner har visat att mikrobubblor gjorda av ett protein som kallas albumin är effektiva bärare för leverans av fotodynamiska medel, som är läkemedel som används i avancerade anti-cancerterapi som undviker många av biverkningarna av kemo- och strålbehandling.
Studiens huvudutredare, professor Dmitry Gorin vid Skoltech Photonics, kommenterade, "Fotodynamisk terapi innebär att man injicerar en fotosensibiliserande substans i blodomloppet och belyser tumören med ljus vars våglängd matchar substansen, antingen genom huden eller med ett endoskop. Efter att ljusenergin absorberats av det sensibiliserande medlet ger detta upphov till fria radikaler och en aggressiv form av syre, som dödar celler på ett mycket fokuserat sätt i området som utsätts för ljus."
Huvudförfattaren till tidningen, Skoltech MSc-examen Roman Barmin, sa: "Vad vi gjorde i den här studien är att vi visade på två populära fotosensibiliserande medel som binder dem med albumin, ett nötkreaturserumprotein, resulterar i deras större fotoaktivitet, och att piska upp proteinläkemedelskonjugatet till bubblor resulterar i en ännu större effektivitetsökning. Detta kan användas för att främja fotodynamisk cancerterapi."
I experimentet använde forskarna två kommersiella fotosensibiliserande ämnen för att visa albumins kovalenta bindning till zinkftalocyanin och dess elektrostatiska bindning till aluminiumftalocyanin. Den förra är ett fotodynamiskt behandlingsmedel som har fått kliniskt godkännande, medan det senare fortfarande är under klinisk testning. För att "vispa upp" luftbubblor utsattes ftalocyanin-albuminlösningen för ultraljud vid rätt frekvens och temperatur.
Barmin noterade, "Medan tillförsel av mikrobubblor i allmänhet är ett populärt tillvägagångssätt, är den här studien den första som använder albuminbubblor i samband med fotodynamisk terapi och att arbeta med de två ftalocyaniner vi övervägde. Tanken bakom leverans av mikrobubblor är att skalet av en luftbubbla tätt kan packa molekylerna av fotodynamiska ämnen, och bubblor kan bekvämt "poppas" av medicinskt ultraljud på ett kontrollerat sätt för att frigöra läkemedlet."
Professor Dmitry Gorin vid Skoltech Photonics kommenterade, "Tester indikerade att leverans av medel till celler var framgångsrik. Vårt nästa mål är en djupare förståelse av interaktioner mellan mikrobubblor och celler för att förbättra terapeutisk prestanda."
Efter att ha utforskat mikrobubblornas egenskaper drog teamet slutsatsen att fotodynamiskt konjugerade mikrobubblor har en förbättrad profil för fysikalisk-kemiska egenskaper: Bubblorna bibehåller samma medeldiameter som deras ftalocyaninfria motsvarigheter (används vid ultraljudsavbildning), vilket är fördelaktigt för att kontrollera deras prestanda, medan de samtidigt ha en högre bubbelkoncentration och lagringsstabilitet.
Barmin sade, "Nästa fråga var: Kommer mikrobubblor att öka effektiviteten hos de fotodynamiska ämnen de levererar? Våra kollegor från Prokhorov General Physics Institute har utvecklat en teknik som använder en suspension av röda blodkroppar för att testa just det. Resultatet var tydligt: För båda medlen visade sig ftalocyanin-albuminkomplexet vara mer effektivt än vanliga ftalocyaniner, och leverans av mikrobubblor ökade ytterligare läkemedels fotoaktivitet. Detta är ett resultat av den täta molekylens packning i mikrobubblans skal."
Tidskriftsreferens:
- Roman A. Barmin, Elizaveta A. Makismova et al. Albuminmikrobubblor konjugerade med zink- och aluminiumftalocyaninfärgämnen för förbättrad fotodynamisk aktivitet. Kolloider och ytor B: Biogränssnitt. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2022.112856
