Ikke -invasive ultralydspulser, der bruges til præcist at tilpasse rottehjerneaktivitet

Biomedicinske ingeniører hos Johns Hopkins rapporterer, at de har udarbejdet en ikke -invasiv måde at frigive og levere koncentrerede mængder af et lægemiddel til rotters hjerne i en midlertidig, lokaliseret måde ved hjælp af ultralyd. Metoden "bur" først et lægemiddel inde i små, bionedbrydelige "nanopartikler, "aktiverer derefter dens frigivelse gennem præcist målrettede lydbølger, såsom dem, der bruges til smertefrit og ikke -invasivt at skabe billeder af indre organer.

Fordi de fleste psykoaktive stoffer kunne leveres på denne måde, samt mange andre former for medicin, forskerne siger, at deres metode har potentiale til at fremme mange terapier og forskningsstudier i og uden for hjernen.

De siger også, at deres metode bør minimere et lægemiddels bivirkninger, fordi lægemidlets frigivelse er koncentreret i et lille område af kroppen, så den samlede mængde medicin, der indgives, kan være meget lavere. Og fordi de enkelte komponenter i teknologien - herunder brugen af ​​de specifikke biomaterialer, ultralyd og FDA-godkendte lægemidler-er allerede blevet testet hos mennesker og har vist sig at være sikre, forskerne mener, at deres metode kunne bringes i klinisk brug hurtigere end normalt:De håber at starte den lovgivningsmæssige godkendelsesproces inden for det næste år eller to.

"Hvis yderligere test af vores kombinationsmetode virker på mennesker, det vil ikke kun give os en måde at lede medicin til bestemte områder i hjernen, men vil også lade os lære meget mere om funktionen af ​​hvert hjerneområde, "siger Jordan Green, Ph.d., lektor i biomedicinsk teknik, som også er medlem af Kimmel Cancer Center og Institute for Nanobiotechnology.

Detaljer om forskningen offentliggøres den 23. januar i tidsskriftet Nano bogstaver .

Den nye forskning, Green siger, blev designet til yderligere at fremme midler til at få medicin sikkert til hjernen, et sart og udfordrende organ at behandle. For at beskytte sig mod infektiøse midler - og mod hævelse, der kan skyldes immunsystemet, for eksempel - hjernen er omgivet af et molekylært hegn, kaldet blod-hjerne-barrieren (BBB), som linjer overfladen af ​​hvert blodkar, der fodrer hjernen. Kun meget små lægemiddelmolekyler, der opløses i olie, kan komme igennem hegnet, sammen med gasser. På grund af dette, de fleste lægemidler udviklet til behandling af hjernesygdomme passer til disse kriterier, men er spredt til alle dele af hjernen - og resten af ​​kroppen, hvor de kan være unødvendige og uønskede.

Raag Airan, M.D., Ph.d., assisterende professor i radiologi ved Stanford University Medical Center og medforfatter af papiret, siger:"Når man arbejder med en patient, der har posttraumatisk stresslidelse, for eksempel, det ville være rart at dæmpe den overaktive del af hjernen - f.eks. amygdala - under samtaleterapisessioner. Nuværende teknologier kan i bedste fald dæmpe halvdelen af ​​hjernen ad gangen, så de er for uspecifikke til at være nyttige i denne indstilling. "

I den nye undersøgelse, forskerne tog et fingerpeg om tidligere brug af nanopartikler og ultralyd til at levere kemoterapeutiske lægemidler til tumorer under huden. I deres seneste forsøg, Greens gruppe designede nanopartikler med et ydre ekspanderbart "bur" lavet af en bionedbrydeligt plast, hvis molekylære byggesten er olie-elskende i den ene ende og vand-elskende i den anden. De olieelskende ender klæber sammen og danner en ekspanderbar kugle med de vandglade ender på ydersiden. De olie-elskende ender binder det stof, der skal afleveres, som i dette tilfælde var propofol, et bedøvelsesmiddel, der normalt bruges til at behandle anfald hos mennesker.

Midten af ​​buret blev fyldt med den flydende perfluoropentan. Når ultralydets lydbølger-leveret noninvasivt hen over hovedbunden og kraniet med FDA-godkendte enheder-rammer perfluoropentan i midten af ​​nanopartiklerne, væsken omdannes til en gas, udvide det omgivende bur og lade propofolen slippe væk.

Inden de tester deres idé om dyr, Green og hans kolleger finjusterede deres ultralydsprotokol ved at teste nanopartikler i plastrør, søger at lokalisere pulser med den rigtige effekt og frekvens til at frigive tilstrækkelige mængder af lægemidlet uden at være stærk nok til at skade BBB, en kendt effekt af kraftfuld ultralyd.

De testede også fordelingen af ​​nanopartikler i rotter ved at tilføje et fluorescerende farvestof til partiklerne og måle mængden af ​​farvestof, der blev fundet i blod og organprøver over tid. Størstedelen af ​​partiklerne endte i milten og leveren, som er vigtige husholdningsorganer i kroppen. Som forventet, partikler blev ikke fundet i hjernen, fordi de er for store til at passere gennem BBB. I stedet, forskerne stolede på propofols egen evne til at passere gennem BBB, når de først blev frigivet lokalt fra nanopartiklerne.

For at se, om deres metode kunne yde medicinsk lindring til levende dyr, de gav derefter rotter et lægemiddel, der forårsager anfald, efterfulgt af de propofol-ladede nanopartikler. De brugte MR til at guide deres anvendelse af ultralydet til rottehjernen og dermed frigive stoffet fra nanopartikler, der flyder gennem infiltrerende blodkar. Så snart de anvendte ultralydet, rotternes anfaldsaktivitet faldt til ro.

"Disse eksperimenter viser effektiviteten af ​​denne metode til at manipulere hjernecellernes funktion gennem præcis levering af lægemidler, "siger Green." Hos mennesker, ultralydsmaskiner kan målrette et volumen så lille som et par millimeter i terninger, mindre end en ti-tusindedel af hjernen. "

Airan, der lavede sit fællesskab og ophold på Johns Hopkins Hospital under undersøgelsen, siger, at en af ​​de mest lovende, øjeblikkelige anvendelser af den nye teknologi kan være til den "hjernekortlægning", der kræves før mange neurokirurgier. Inden en kirurg skærer ind i hjernen for at fjerne en tumor, for eksempel, han eller hun har brug for at vide, hvor man ikke skal skære. "I øjeblikket, det kræver at holde patienten vågen, mens kirurgen udsætter hjernen og sonderer den med elektroder, mens han vurderer svar. Ultralydsmetoden ville give os mulighed for at bruge et lægemiddel som propofol til kort at 'slukke' bestemte områder af hjernen et ad gangen, før operationen, uden noget mere invasivt end en nålepind, " han siger.

Fordi ultralyd, MR og hver komponent i nanopartiklerne er blevet godkendt til andre formål hos mennesker, forskerne forventer, at en kort tidslinje får deres idé til patienter, men de erkender, at dens applikationer vil blive noget begrænset af omkostningerne og tilgængeligheden af ​​MR -scanninger - i hvert fald på kort sigt.

"Vores nuværende model kræver real-time billeddannelse af hjernen, mens ultralydet påføres, "siger Airan." Baseret på lignende procedurer, jeg allerede gør, det kan koste op til $ 30, 000 til $ 50, 000. Men vi arbejder på software, der gør det muligt for os at synkronisere et enkelt MR -billede med ultralydsvejledningssystemet for at reducere omkostningerne betydeligt. "

I mellemtiden, forskerne mener, at det stadig vil være klinisk relevant i mange situationer, hvor et lægemiddels virkninger vides at vare i uger. De forventer også, at det bliver meget udbredt i hjerneforskning til at studere og manipulere funktionen af ​​bestemte områder i hjernen på en kontrolleret måde.