Forskere styrer mikrobiler gennem blodkar i musehjernen ved hjælp af ultralyd

Forskere fra ETH Zürich har for første gang vist, at mikrobiler kan styres gennem blodkar i hjernen på mus ved hjælp af ultralyd. De håber, at dette i sidste ende vil føre til behandlinger, der er i stand til at levere lægemidler med præcision. Deres undersøgelse er offentliggjort i Nature Communications .

Hjernetumorer, hjerneblødninger og neurologiske og psykologiske tilstande er ofte svære at behandle med medicin. Og selv når effektive lægemidler er tilgængelige, har disse tendens til at have alvorlige bivirkninger, fordi de cirkulerer i hele hjernen og ikke kun det område, de er beregnet til at behandle.

I lyset af denne situation har forskere store forhåbninger om en dag at kunne levere en mere målrettet tilgang, der vil levere medicin til meget specifikt definerede steder. Til dette formål er de i gang med at udvikle minitransportører, der kan føres gennem den tætte labyrint af blodkar.

Forskere ved ETH Zürich, Universitetet i Zürich og Universitetshospitalet Zürich har nu for første gang formået at lede mikrokøretøjer gennem blodkarrene i hjernen på et dyr ved hjælp af ultralyd.

Ultralyd i stedet for magnetisme

Sammenlignet med alternative navigationsteknologier såsom dem, der er baseret på magnetiske felter, giver ultralyd visse fordele. Daniel Ahmed, professor i akustisk robotik ved ETH Zürich og supervisor for undersøgelsen, forklarer:"Ud over at være meget udbredt inden for det medicinske område er ultralyd sikker og trænger dybt ind i kroppen."

Til deres mikrokøretøj brugte Ahmed og hans kolleger gasfyldte mikrobobler belagt med lipider - de samme stoffer, som biologiske cellemembraner er lavet af. Boblerne har en diameter på 1,5 mikrometer og bruges i øjeblikket som kontrastmateriale ved ultralydsbilleddannelse.

Som forskerne nu har vist, kan disse mikrobobler føres gennem blodkar. "Da disse bobler eller vesikler allerede er godkendt til brug i mennesker, er det sandsynligt, at vores teknologi vil blive godkendt og brugt i behandlinger for mennesker hurtigere end andre typer mikrokøretøjer, der i øjeblikket er under udvikling," siger Ahmed.

En anden fordel ved de ultralydsstyrede mikrobobler er, at de opløses i kroppen, når de har gjort deres arbejde. Når man bruger en anden tilgang, magnetiske felter, skal mikrokøretøjerne være magnetiske, og det er ikke let at udvikle biologisk nedbrydelige mikrokøretøjer. Desuden er mikroboblerne udviklet af ETH Zürich-forskerne små og glatte. "Dette gør det nemt for os at guide dem langs snævre kapillærer," siger Alexia Del Campo Fonseca, en ph.d.-studerende i Ahmeds gruppe og hovedforfatter af undersøgelsen.

Gå imod strømmen

I løbet af de sidste par år har Ahmed og hans gruppe arbejdet i laboratoriet for at udvikle deres metode til at lede mikrobobler gennem smalle kar. Nu har de i samarbejde med forskere fra Universitetet i Zürich og Universitetshospitalet Zürich testet denne metode på blodkar i hjernen hos mus. Forskerne sprøjtede boblerne ind i gnavernes kredsløb, hvor de bliver fejet med i blodbanen uden hjælp udefra.

Det lykkedes dog forskerne at bruge ultralyd til at holde boblerne på plads og lede dem gennem hjernekarrene mod blodstrømmens retning. Forskerne var endda i stand til at lede boblerne gennem snoede blodkar eller få dem til at ændre retning flere gange for at styre dem ind i de smalleste grene af blodbanen.

For at kontrollere mikrobilernes bevægelser fastgjorde forskerne også fire små transducere på ydersiden af ​​hver muses kranium. Disse enheder genererer vibrationer i ultralydsområdet, som spredes gennem hjernen som bølger. På visse punkter i hjernen kan de bølger, der udsendes af to eller flere transducere, enten forstærke hinanden eller ophæve hinanden. Forskerne guider boblerne ved hjælp af en sofistikeret metode til at justere output fra hver enkelt transducer. Realtidsbilleder viser dem, hvilken retning boblerne bevæger sig i.

For at skabe billeddannelsen til denne undersøgelse brugte forskerne to-fotonmikroskopi. I fremtiden ønsker de også at bruge selve ultralyd til billeddannelse og planlægger at forbedre ultralydsteknologien til dette formål.

I denne undersøgelse var mikroboblerne ikke udstyret med medicin. Forskerne ville først vise, at de kunne føre mikrobilerne langs blodkar, og at denne teknologi er velegnet til brug i hjernen. Det er her, der er lovende medicinske anvendelser, herunder i behandlingen af ​​kræft, slagtilfælde og psykiske lidelser.

Forskernes næste skridt bliver at fastgøre lægemiddelmolekyler til ydersiden af ​​boblehuset til transport. De ønsker at forbedre hele metoden til det punkt, hvor den kan bruges i mennesker, i håb om, at den en dag vil danne grundlag for udviklingen af ​​nye behandlinger.

Flere oplysninger: Alexia Del Campo Fonseca et al., Ultralydsfangst og navigation af mikrorobotter i musens hjernevaskulatur, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41557-3

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af ETH Zürich