อัลตราซาวนด์ที่เน้นความเข้ากันได้ทางชีวภาพส่งยารักษามะเร็งไปยังเป้าหมาย – Physics World

อัลตราซาวนด์ที่เน้นความเข้ากันได้ทางชีวภาพส่งยารักษามะเร็งไปยังเป้าหมาย – Physics World

ประทับเวลา: 6 ตุลาคม 2023 4:30 น.

ควบคุมการปล่อยสินค้าโดยใช้อัลตราซาวนด์แบบโฟกัส
มีการควบคุมการปล่อย ขวดด้านซ้ายประกอบด้วยสารละลายที่มีเม็ดสีเรืองแสงจับตัวอยู่ในกลไกจักรกล ในขวดทางด้านขวา เม็ดสีถูกปล่อยออกมาจากกลไกทางกลโดยการสัมผัสกับอัลตราซาวนด์แบบโฟกัส (ได้รับความอนุเคราะห์จาก: คาลเทค)

การควบคุมปฏิกิริยาเคมีในสภาพแวดล้อมทางชีววิทยาจากระยะไกลสามารถนำไปใช้ประโยชน์ทางการแพทย์ได้หลากหลาย ตัวอย่างเช่น ความสามารถในการปล่อยยาเคมีบำบัดไปยังเป้าหมายในร่างกาย สามารถช่วยหลีกเลี่ยงผลข้างเคียงที่สร้างความเสียหายที่เกี่ยวข้องกับสารประกอบพิษเหล่านี้ได้ โดยมีเป้าหมายนี้ นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (คาลเทค) ได้สร้างระบบนำส่งยาใหม่ทั้งหมดที่ใช้อัลตราซาวนด์เพื่อปล่อยสารที่ใช้ในการวินิจฉัยหรือการรักษาอย่างแม่นยำในเวลาและสถานที่ที่จำเป็น

แพลตฟอร์มนี้พัฒนาขึ้นในห้องทดลองของ แม็กซ์เวลล์ ร็อบบ์ และ มิคาอิล ชาปิโรมีพื้นฐานมาจากโมเลกุลที่ไวต่อแรงที่เรียกว่ากลไกซึ่งเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีเมื่อถูกแรงทางกายภาพและปล่อยโมเลกุลสินค้าขนาดเล็กออกมา การกระตุ้นเชิงกลสามารถทำได้ผ่านอัลตราซาวนด์แบบโฟกัส (FUS) ซึ่งจะแทรกซึมลึกเข้าไปในเนื้อเยื่อชีวภาพและสามารถนำไปใช้ด้วยความแม่นยำระดับต่ำกว่ามิลลิเมตร อย่างไรก็ตาม การศึกษาก่อนหน้านี้เกี่ยวกับวิธีนี้ จำเป็นต้องมีความเข้มของเสียงสูง ซึ่งทำให้เกิดความร้อนและอาจสร้างความเสียหายให้กับเนื้อเยื่อบริเวณใกล้เคียงได้

เพื่อให้สามารถใช้ความเข้มของอัลตราซาวนด์ที่ต่ำกว่าและปลอดภัยยิ่งขึ้น นักวิจัยได้หันมาใช้ถุงก๊าซ (GVs) ซึ่งเป็นโครงสร้างนาโนโปรตีนที่เติมอากาศซึ่งสามารถใช้เป็นสารตัดกันของอัลตราซาวนด์ได้ พวกเขาตั้งสมมติฐานว่า GV สามารถทำหน้าที่เป็นตัวแปลงสัญญาณทางกลและอะคูสติกเพื่อเน้นพลังงานอัลตราซาวนด์: เมื่อสัมผัสกับ FUS GV จะเกิดโพรงอากาศพร้อมกับพลังงานที่เกิดขึ้นที่กระตุ้นการทำงานของกลไก

“การใช้กำลังผ่านอัลตราซาวนด์มักจะอาศัยสภาวะที่รุนแรงมากซึ่งกระตุ้นให้เกิดการระเบิดของฟองก๊าซละลายเล็กๆ” ผู้เขียนร่วมคนแรกอธิบาย มอลลี่ แมคแฟดเดน ในแถลงการณ์ “การล่มสลายของพวกเขาเป็นที่มาของแรงทางกลที่กระตุ้นการทำงานของกลไก ถุงมีความไวต่ออัลตราซาวนด์มากขึ้น จากการใช้สิ่งเหล่านี้ เราพบว่าการกระตุ้นด้วยกลไกแบบเดียวกันนั้นสามารถทำได้ภายใต้อัลตราซาวนด์ที่อ่อนกว่ามาก”

รายงานการค้นพบของพวกเขาใน กิจการของ National Academy of Sciencesนักวิจัยแสดงให้เห็นว่าวิธีการนี้สามารถกระตุ้นการปล่อยโมเลกุลของสินค้าจากโพลีเมอร์ที่ทำงานด้วยเครื่องจักรโดยใช้ FUS ที่เข้ากันได้ทางชีวภาพจากระยะไกล

การพัฒนาการนำส่งยา

McFadden และเพื่อนร่วมงานได้ระบุพารามิเตอร์อัลตราซาวนด์ที่ปลอดภัยสำหรับการใช้งานทางสรีรวิทยา การทดลองกับ 330 kHz FUS เปิดเผยขีดจำกัดบนที่เข้ากันได้ทางชีวภาพที่ 1.47 MPa แรงดันลบสูงสุด พร้อมรอบการทำงาน 4.5% (3000 รอบต่อพัลส์) ส่งผลให้ความเข้มของเสียง 3.6 W/cm2. ในเจลปลอมที่เลียนแบบเนื้อเยื่อ พารามิเตอร์เหล่านี้ส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นสูงสุดเพียง 3.6 °C

จากนั้นนักวิจัยได้ตรวจสอบว่า FUS สามารถกระตุ้นโพลีเมอร์ที่มีกลไกเชิงกลได้หรือไม่โดยใช้พารามิเตอร์ที่เข้ากันได้ทางชีวภาพเหล่านี้ พวกเขาศึกษาพอลิเมอร์ PMSEA ที่มีกลไกที่มีศูนย์กลางเป็นสายโซ่ซึ่งเต็มไปด้วยโมเลกุลขนาดเล็กที่ทำให้เกิดฟลูออโรเจน การเปิดเผยสารละลายเจือจางของโพลีเมอร์นี้กับ FUS ที่เข้ากันได้ทางชีวภาพต่อหน้า GV ส่งผลให้มีการเรืองแสงเพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งบ่งชี้ว่าสามารถปล่อยน้ำหนักบรรทุกได้สำเร็จ – ประมาณ 15% ปล่อยหลังจากการสัมผัส FUS เป็นเวลา 10 นาที ที่สำคัญการเปิดรับ FUS โดยไม่มี GV ไม่ได้กระตุ้นการตอบสนองของฟลูออโรเจนิก ซึ่งยืนยันว่า GV มีบทบาทสำคัญในฐานะตัวแปลงสัญญาณทางกลและอะคูสติก

จากนั้น นักวิจัยได้ตรวจสอบว่าระบบนี้เหมาะสมสำหรับการปลดปล่อยยาที่กระตุ้นด้วยกลไกหรือไม่ พวกเขาผสานสารเคมีบำบัด Camptothecin เข้ากับกลไกเชิงกล ตามด้วยการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันเพื่อสร้าง PMSEA-CPT และใช้ FUS เพื่อควบคุมการปลดปล่อย หลังจากการเผยสัมผัส FUS บวก GV ที่เข้ากันได้ทางชีวภาพเป็นเวลา 10 นาที ประมาณ 8% ของแคมป์โทเธซินถูกปลดปล่อย ตามที่พบในโมเลกุลฟลูออโรเจนิก ไม่พบการปล่อยยาหากไม่มี GV

ตามที่ผู้เขียนร่วมคนแรก หยูซิงเหยานี่เป็นครั้งแรกที่มีการสาธิต FUS เพื่อควบคุมปฏิกิริยาเคมีเฉพาะในสภาพแวดล้อมทางชีวภาพ “ก่อนหน้านี้มีการใช้อัลตราซาวนด์เพื่อรบกวนสิ่งของหรือเคลื่อนย้ายสิ่งของ” เหยากล่าว “แต่ตอนนี้กำลังเปิดเส้นทางใหม่ให้เราใช้กลศาสตร์เคมี”

เพื่อประเมินศักยภาพในอนาคตของแพลตฟอร์มสำหรับการรักษาด้วยเคมีบำบัดแบบกำหนดเป้าหมายในผู้ป่วย นักวิจัยได้ตรวจสอบความเป็นพิษต่อเซลล์ของมัน ในหลอดทดลอง บนเซลล์ Raji ที่มีลักษณะคล้ายลิมโฟบลาสต์ เซลล์ที่ถูกบ่มเป็นเวลาสองวันด้วย PMSEA-CPT ที่สัมผัสกับ FUS และ GV ก่อนหน้านี้แสดงการมีชีวิตที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ในทางตรงกันข้าม ไม่พบความเป็นพิษต่อเซลล์ที่มีนัยสำคัญในเซลล์ที่ถูกบ่มด้วย PMSEA-CPT ที่ไม่ได้สัมผัสกับ FUS หรือ PMSEA-CPT ที่สัมผัสกับ FUS แต่ไม่มี GV

นักวิจัยเขียนว่า "การปลดปล่อยน้ำหนักบรรทุกของโมเลกุลจากพอลิเมอร์ในตัวกลางที่เป็นน้ำที่ถูกกระตุ้นโดยกลไก แสดงให้เห็นถึงพลังของแนวทางนี้สำหรับการถ่ายภาพทางชีวภาพแบบไม่รุกรานและการประยุกต์ใช้กลไกเคมีของพอลิเมอร์เพื่อการรักษา" “ในวงกว้าง การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงแนวทางในการบรรลุการควบคุมระยะไกลของปฏิกิริยาเคมีที่เฉพาะเจาะจงภายใต้เงื่อนไขที่เกี่ยวข้องกับชีวการแพทย์ด้วยความแม่นยำของ spatiotemporal และการแทรกซึมของเนื้อเยื่อโดย FUS”

หลังจากการทดสอบเบื้องต้นเหล่านี้ภายใต้เงื่อนไขของห้องปฏิบัติการที่มีการควบคุม ขณะนี้นักวิจัยวางแผนที่จะทดสอบแพลตฟอร์มในสิ่งมีชีวิต “เรากำลังดำเนินการเพื่อแปลการค้นพบพื้นฐานนี้ ในร่างกาย การใช้งานสำหรับการนำส่งยาและเทคโนโลยีชีวการแพทย์อื่นๆ” Robb กล่าว โลกฟิสิกส์.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์