Sådan åbner du bløde nanopartikler ved hjælp af lydbølger

Ultralyd har længe været et vigtigt værktøj til medicinsk billeddannelse. For nylig, medicinske forskere har vist, at fokuserede ultralydsbølger også kan forbedre leveringen af ​​terapeutiske midler såsom lægemidler og genetisk materiale. Bølgerne danner bobler, der gør cellemembraner - såvel som syntetiske membraner, der omslutter lægemiddelbærende vesikler - mere permeable. Imidlertid, boble-membran-interaktionen er ikke godt forstået.

Bløde lipidskaller, uopløseligt i vand, er en nøglekomponent i den barriere, der omgiver celler. De bruges også som nanobærere af lægemidler:partikler af fedt- eller lipidmolekyler på nanometerstørrelse, der bærer lægemidlet, der skal leveres lokalt ved det syge organ eller det syge sted, og som kan sprøjtes inde i kroppen.

Lipidskallen kan "poppes" af lydbølger, som kan fokuseres til et sted på størrelse med et riskorn, resulterer i en meget lokaliseret åbning af barrierer, der potentielt kan overvinde store udfordringer inden for lægemiddellevering.

Imidlertid, forståelsen af ​​sådanne interaktioner er meget begrænset, hvilket er en stor hindring i biomedicinske anvendelser af ultralyd. Lipidskaller kan smelte fra en gel til et væskelignende materiale afhængigt af miljøforhold.

Ved at observere de nanoskopiske ændringer i lipidskallerne i realtid, når de udsættes for lydbølger, vores forskning har vist, at lipidskaller er nemmest at sprænge, ​​når de er tæt på at smelte. Vi viser også, at efter brud, et hulrum dannes, og lipiderne ved grænsefladen oplever "fordampende afkøling - den samme proces, hvorved sved afkøler vores krop - som lokalt kan fryse lipiderne, eller endda vand, ved grænsefladen. Denne forskning fremmer den grundlæggende forståelse af samspillet mellem lydbølger og lipidskaller med anvendelser i lægemiddellevering.

Vi udførte ultralydseksperimenter på en vandig opløsning indeholdende en række forskellige lipidmembraner, som ligner cellulære membraner. Vi mærkede membranerne med fluorescerende markører, hvis lysemission gav information om den molekylære orden i membranerne. Vi affyrede derefter ultralydsimpulser i opløsningen og holdt øje med bobler. Boblerne begyndte at dannes ved lavere akustisk energi, når membranerne gik fra en geltilstand til en mere væskelignende tilstand. Boblerne holdt også længere under denne faseovergang.

Vi forklarede disse observerede effekter med en model, der - i modsætning til tidligere modeller - tager højde for varmestrømmen mellem membranerne og den omgivende væske.

Fremtidigt arbejde vil muligvis være i stand til at bruge denne model af membrantermodynamik til at optimere lægemiddelbærende vehikler med membraner, der gennemgår en faseovergang på det ønskede tidspunkt under en ultralydsprocedure.