Afsløring af videnskaben om ultralydsdrevet mikrobobledesorption

Injektion af medicin i blodbanen kan ofte også skade sundt væv. Drug delivery systems (DDS'er) er en innovativ løsning designet til at målrette mod specifikke celler og minimere sådanne bivirkninger. En strategi for lægemiddellevering, der støt har vundet indpas, involverer en kombination af mikrobobler og ultralyd.

Mikrobobler er små gasfyldte bobler, der kan fyldes med lægemidler eller andre terapeutiske midler på deres overflade. Når de udsættes for ultralydsbølger, begynder disse mikrobobler at oscillere, med de efterfølgende vibrationer, der gradvist frigiver det adsorberede lægemiddel på det bestrålede sted. Selvom dette fænomen er blevet undersøgt tidligere, er kvantitative eksperimenter med, hvordan molekyler desorberer fra mikrobobler ved ultralydsbestråling, sjældne.

I en nylig undersøgelse offentliggjort den 22. august 2023 i tidsskriftet Scientific Reports , et forskerhold ledet af professor Daisuke Koyama og kandidatstuderende Ms. Reina Kobayashi fra Fakultet for Naturvidenskab og Ingeniørvidenskab ved Doshisha University, Japan, forsøgte at løse denne videnskløft.

De designede et innovativt eksperimentelt setup til at analysere desorptionen af ​​et overfladeaktivt stof fra individuelle mikrobobler. Deres arbejde omfattede også bidrag fra Dr. Marie Pierre Krafft fra Institut Charles Sadron (CNRS), University of Strasbourg, Frankrig.

"I en DDS, der bruger ultralyd og mikrobobler, sprøjtes mikrobobler med lægemidler eller gener ind i blodkar, så boblerne kan adsorbere til målvævet specifikt via antigen-antistof-reaktioner. Vores foreslåede metode og de eksperimentelle resultater kan forudsige, hvor meget molekyler der desorberes. fra boblerne ind i blodkarrene," forklarer prof. Koyama.

Den foreslåede metode er baseret på måling af kontaktvinklen for individuelle bobler placeret på en glasplade ved hjælp af et højhastighedsvideokamera. Kontaktvinklen, eller vinklen dannet mellem den faste overflade og bobleoverfladen ved deres kontaktpunkt, er tæt forbundet med boblens overfladespænding.

Til gengæld afhænger overfladespændingen af ​​mængden af ​​overfladeaktivt stof (lægemiddelmolekyler) på boblens overflade. Ved at observere kontaktvinklen for en boble under ultralydsbestråling er det således muligt at estimere mængden af ​​molekyler, der desorberes som et resultat af de inducerede vibrationer.

For at teste deres metodik udtænkte holdet en eksperimentel opsætning, der kombinerede et højhastighedskamera med et langdistancemikroskop, en ultralydscelle fyldt med væske, en tynd, gennemsigtig glasplade og et laser Doppler-vibrometer (LDV) parret med en CCD kamera.

De placerede omhyggeligt mikrobobler sammensat af fluorcarbonberiget gas og et lipid kaldet 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholin (DMPC) på glaspladen. Mens højhastighedskameraet leverede realtidsdata om boblens kontaktvinkel, gjorde LDV- og CCD-kameraet det muligt for undersøgelserne at overvåge amplituden af ​​de svingninger, der blev induceret på boblen, såvel som dens radius.

Ved hjælp af denne opsætning målte forskerne desorptionsegenskaberne for forskellige boblestørrelser og DMPC-koncentrationer, hvilket afslørede vigtig indsigt i processen med ultralydsinduceret desorption. De opdagede især, at mikrobobler under resonansforhold frigiver betydelige mængder af adsorberede molekyler (>50%) til de omgivende medier meget hurtigt.

De demonstrerede også, at ultralydsinduceret desorption er en meget hurtig proces, der starter næsten umiddelbart efter ultralydsbestråling og ophører lige så hurtigt. Derudover viste de, at mængden af ​​molekylær desorption induceret af ultralydbehandling afhænger af boblestørrelsen, hvilket betyder, at vibrationsegenskaberne for mikrobobler, der bruges i DDS'er, er vigtige for at kontrollere lægemiddelfrigivelsen.

Den foreslåede metode kan vise sig at være afgørende i design og udvikling af DDS'er ved hjælp af ultralyd og mikrobobler. "Mængden af ​​lægemiddel, der frigives til blodkar hos patienter, kan estimeres kvantitativt ved hjælp af vores metode, hvilket betyder, at de optimale mængder af lægemiddelbærende mikrobobler kan forudsiges nøjagtigt til vaskulære lægemiddelbehandlinger," tilføjer prof. Koyama. Ved kun at indgive den nødvendige mængde lægemiddel i blodbanen, kan bivirkningerne holdes på et minimum, hvilket forbedrer patientens resultater og livskvalitet.

Forskerholdet planlægger yderligere at udforske kontrolleret lægemiddelfrigivelse ved at klarlægge forholdet mellem ultralydsfrekvensen, lydtryksamplituden og mængden af ​​molekylær desorption i deres fremtidige arbejde.

Flere oplysninger: Reina Kobayashi et al., Kvantitativ estimering af fosfolipidmolekyler desorberet fra en mikrobobleoverflade under ultralydsbestråling, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-40823-0

Journaloplysninger: Videnskabelige rapporter

Leveret af Doshisha University