Mikroperler tillader ultralydsbølger at stimulere celler mere sikkert

Forskere ved Duke University har opdaget en måde at forbedre effektiviteten og sikkerheden af ​​sonogenetik eller ultralydsmodulation, nye teknikker, der bruger lydbølger til at kontrollere individuelle neuroners adfærd eller til at fremme vævsvækst og sårheling i andre celler.

Ultralydsterapi bruger ofte målrettede ultralydsbølger til at skabe kavitationsbobler - små balloner af hurtigt oscillerende luftlommer, der strækker nærliggende cellemembraner, når de brister. Denne strækning kan aktivere calciumionkanaler, får en neuron til at fyre, eller kan signalere kroppens reparationsmekanismer til at skrue over i overdrev.

Hvis en boble er for stor eller for tæt, imidlertid, teknikken kan beskadige eller ødelægge nærliggende celler. Selvom dette kan være det ønskede resultat i applikationer som kræftbehandling, forskere i sonogenetik ønsker typisk at undgå skader.

I en ny undersøgelse, biomedicinske ingeniører fandt ud af, at ved at fastgøre mikroskopiske perler til receptorer på cellens overflade, de kan producere teknikkens celle-strækning, calcium-frigørende effekter meget mere sikkert.

Resultaterne blev vist online i ugen den 25. december, 2017 i Proceedings of the National Academy of Science .

"For at få ionkanaler og porer i en celles membran til at åbne, du skal typisk strække det meget stærkt og meget hurtigt, " sagde Pei Zhong, Anderson-Rupp professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke. "Men vi opdagede, at fastgørelse af mikroperler til cellens overflade forstærker cellens respons under kavitation og producerer det samme resultat med meget mindre risiko for cellulær skade."

Produceres når en kraft skaber et tomrum i væske, kavitationsbobler kan være kraftige nok til at forårsage alvorlig skade på skibspropeller. Selvom kavitationsboblerne, der dannes under medicinske procedurer, ikke er nær så stærke, de kan stadig forårsage meget skade. Og på grund af deres hurtighed og tilfældighed, det er meget vanskeligt at studere deres virkninger på nærliggende celler.

Den nye undersøgelse er den første til at bruge en eksperimentel platform, som Zhongs team byggede i 2015 til at studere sonoporation, der pålideligt producerer tandem-kavitationsbobler på nøjagtig det samme sted hver gang. Ved at placere forskellige typer celler i forskellige afstande fra boblerne, forskere kan begynde at udforske detaljerne om, hvordan celler reagerer.

Til den første opfølgende undersøgelse, der skal bruge platformen, Zhong valgte at se på calciumsignalering.

"Calciumsignalering regulerer mange vigtige cellulære funktioner, som muskelsammentrækning, neural kommunikation, gentranskription og vævsvækst, " sagde Fenfang Li, en postdoc-forsker i Zhongs laboratorium og hovedforfatter af undersøgelsen. "Tidligere undersøgelser har vist, at sonogenetik og sonoporation forårsager et calciumrespons, som kan få neuroner i brand eller fremme heling i andre celler, så vi ville se nærmere."

Resultaterne viste, at kavitationsbobler faktisk producerer to typer calciumreaktioner:langsomme bølger og hurtige bølger. Men mest interessant, undersøgelsen viste, at mikroperler, der er fastgjort til cellens overflade, kan fange noget af boblernes energi, så de trækker i membranens overflade. Dette giver mere lokaliseret deformation - og en stærkere calciumrespons - fra en langsommere, blødere bølge.

"Denne strategi kan stimulere cellerne i sikker afstand fra kavitationsboblerne, " sagde Zhong. "Tilgangen skulle gøre det meget lettere for forskere at bruge sonogenetik sikkert i humane terapier."