Біосумісний сфокусований ультразвук доставляє ліки від раку в ціль – Physics World

Дистанційне керування хімічними реакціями в біологічному середовищі може забезпечити різноманітне застосування в медицині. Наприклад, здатність вивільняти хіміотерапевтичні препарати в цільовий організм може допомогти обійти шкідливі побічні ефекти, пов’язані з цими токсичними сполуками. З цією метою дослідники Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech) створили абсолютно нову систему доставки ліків, яка використовує ультразвук для вивільнення діагностичних або терапевтичних сполук саме тоді і де вони потрібні.

Платформа, розроблена в лабораторіях ім Максвел Робб та Михайло Шапіро, базується на чутливих до сили молекулах, відомих як механофори, які піддаються хімічним змінам під дією фізичної сили та вивільняють менші молекули вантажу. Механічний стимул може бути наданий за допомогою сфокусованого ультразвуку (FUS), який проникає глибоко в біологічні тканини та може застосовуватися з субміліметровою точністю. Однак попередні дослідження цього методу вимагали високої акустичної інтенсивності, яка спричиняла нагрівання та могла пошкодити сусідні тканини.

Щоб уможливити використання нижчої та безпечнішої інтенсивності ультразвуку, дослідники звернулися до газових везикул (GVs), заповнених повітрям білкових наноструктур, які можна використовувати як ультразвукові контрастні речовини. Вони припустили, що GV можуть функціонувати як акусто-механічні перетворювачі для фокусування ультразвукової енергії: під впливом FUS GV зазнають кавітації, внаслідок чого енергія активує механофор.

«Застосування сили за допомогою ультразвуку зазвичай залежить від дуже інтенсивних умов, які викликають спалах крихітних бульбашок розчиненого газу», — пояснює один із авторів. Моллі Макфадден у заяві для преси. «Їх колапс є джерелом механічної сили, яка активує механофор. Везикули мають підвищену чутливість до ультразвуку. Використовуючи їх, ми виявили, що таку саму активацію механофора можна досягти за набагато слабкішого ультразвуку».

Повідомляючи про свої висновки в Праці Національної академії наук, дослідники демонструють, що цей підхід може віддалено ініціювати вивільнення молекул вантажу з полімерів, функціоналізованих механофором, за допомогою біосумісного FUS.

Розвиток доставки ліків

Макфадден і його колеги вперше визначили безпечні параметри ультразвуку для фізіологічного застосування. Експерименти з FUS 330 кГц показали біосумісну верхню межу 1.47 МПа пікового негативного тиску з робочим циклом 4.5% (3000 циклів на імпульс), що призводить до інтенсивності звуку 3.6 Вт/см². У гелевому фантомі, що імітує тканину, ці параметри призвели до максимального підвищення температури лише на 3.6 °C.

Потім дослідники дослідили, чи може FUS активувати полімери, що містять механофор, використовуючи ці біосумісні параметри. Вони досліджували полімер PMSEA, що містить ланцюгоподібний механофор, наповнений малою флуорогенною молекулою. Вплив розведеного розчину цього полімеру на біосумісну FUS у присутності GV призвело до сильного збільшення флуоресценції, що вказує на успішне вивільнення корисного навантаження – приблизно 15% вивільнення після 10 хв експозиції FUS. Важливо, що вплив FUS без GV не викликало флуорогенної відповіді, підтверджуючи, що GV відіграють важливу роль як акусто-механічні перетворювачі.

Потім дослідники перевірили, чи придатна система для механічного викиду ліків. Вони кон'югували хіміотерапевтичний агент камптотецин з механофором з подальшою полімеризацією для створення PMSEA-CPT і використовували FUS для забезпечення контрольованого вивільнення. Після 10-хвилинного впливу біосумісного FUS плюс GV було вивільнено приблизно 8% камптотецину. Як виявлено для флуорогенної молекули, не було виявлено вивільнення препарату за відсутності GV.

За словами співавтора Юсін Яо, це перший раз, коли було продемонстровано, що FUS контролює певну хімічну реакцію в біологічному середовищі. «Раніше ультразвук використовувався, щоб руйнувати речі або рухати речі», — каже Яо. «Але тепер він відкриває для нас новий шлях за допомогою механохімії».

Щоб оцінити майбутній потенціал платформи для цільової хіміотерапії пацієнтів, дослідники дослідили її цитотоксичність пробірці на лімфобластоподібних клітинах Раджі. Клітини, інкубовані протягом двох днів з PMSEA-CPT, попередньо піддані FUS і GVs, показали значне зниження життєздатності. Навпаки, не було виявлено значної цитотоксичності в клітинах, інкубованих з PMSEA-CPT, які не були піддані FUS, або PMSEA-CPT, підданих FUS, але без GV.

Імплантований пристрій, що запускається світлом, забезпечує програмовану доставку ліків

«Механічно викликане вивільнення молекулярного корисного навантаження з полімерів у водному середовищі ілюструє силу цього підходу для неінвазивної біовізуалізації та терапевтичних застосувань механохімії полімерів», — пишуть дослідники. «У більш широкому плані це дослідження демонструє підхід до досягнення дистанційного контролю конкретних хімічних реакцій у біомедично відповідних умовах із просторово-часовою точністю та проникненням у тканини, які забезпечує FUS».

Після цих початкових тестів у контрольованих лабораторних умовах дослідники тепер планують випробувати свою платформу на живих організмах. «Ми працюємо над тим, щоб перекласти це фундаментальне відкриття на в природних умовах додатків для доставки ліків та інших біомедичних технологій», — розповідає Робб Світ фізики.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/biocompatible-focused-ultrasound-delivers-cancer-drugs-on-target/