Smegenys yra tvirtovė, centrinis kūno valdymo centras, saugomas kraujo ir smegenų barjero (BBB). Šis kraujagyslių ir audinių tinklas veikia kaip biologinis vartų sargas – selektyvus filtras, neleidžiantis kenksmingoms medžiagoms kraujyje patekti į sudėtingą smegenų ekosistemą.
Tai apsauga, kuri kainuoja. Nors BBB įleidžia kai kuriuos dalykus, pavyzdžiui, vandenį, deguonį, bendruosius anestetikus, pagamintus iš labai mažų molekulių, jis taip pat neleidžia daugeliui gyvybiškai svarbių vaistų patekti į smegenis, o tai riboja neurologinių problemų gydymo galimybes.
Tačiau tarptautinė mokslininkų komanda, vadovaujama Georgia Tech biomedicinos inžinieriaus Costas Arvanitis, sprendžia šį iššūkį naudodama techniką, kuri sujungia mikroburbulus – mažytes dujomis užpildytas sferas – ir ultragarso technologiją. Jų novatoriškas požiūris skirtas laikinai atidaryti BBB, leidžiant vaistams ar imuninėms ląstelėms kovoti su ligomis ir suteikti terapinės vilties pacientams, kovojantiems su tokiomis ligomis kaip smegenų vėžys ar Alzheimerio liga.
„Mes nustatėme, kad ultragarsas su mikroburbuliukais – nauja technologija, kuri siūlo neinvazinį būdą laikinai atidaryti kraujo ir smegenų barjerą, leidžia per kraują plintantiems terapiniams preparatams pasiekti smegenis“, – sakė Wallace'o H. Coulterio katedros docentas Arvanitis. Biomedicinos inžinerija ir George'o W. Woodruffo mechanikos inžinerijos mokykla.
Jis pridūrė, kad šią techniką galima tiksliai sureguliuoti, kad būtų galima nustatyti smegenų ligas. Costas ir jo bendradarbiai aprašo savo darbą naujausiame leidime Gamtos komunikacijos.
Šokinėjantys burbuliukai
Mikroburbuliukai, mažesni už žmogaus plauko skersmenį, turi apvalkalus, pagamintus iš lipidų arba baltymų. Sveikatos priežiūros srityje jie dažnai naudojami siekiant pagerinti matomumą ultragarsu, veikdami kaip kontrastinės medžiagos, apšviesdamos kūno viduje esančias detales.
Ultragarsas vaizdams kurti naudoja aukšto dažnio garso bangas. Kai mikroburbuliukai yra veikiami sufokusuotomis ultragarso bangomis, jie greitai plečiasi ir susitraukia. Ši švelni mechaninė jėga sujudina apsauginį barjerą, supantį smegenis, sukurdama mažas angas pagalbai praeiti.
„Nepaisant jų paprastos struktūros, mikroburbuliukai turi sudėtingą elgesį”, – sakė Arvanitis. „Jie gali rezonuoti tam tikrais dažniais, todėl galime manipuliuoti jų svyravimais, kad padidintume kraujo ir smegenų barjero pralaidumą. Jų elgesys taip pat priklauso nuo jų dydžio ir apvalkalo sudėties.”
Pavyzdžiui, mikroburbuliukai su elastingais apvalkalais efektyviau padidina BBB pralaidumą. Savo tyrimuose Arvanitis ir jo bendradarbiai pastebėjo 12 kartų padidėjusį vaistų pristatymo efektyvumą naudojant elastingo apvalkalo (lipidų pagrindu) mikroburbuliukus.
Matematika prieš peles
Tyrėjai atliko tyrimus su pelėmis, bet pradėjo nuo matematinio modelio, kad imituotų mikroburbulų dinamiką smegenų kraujagyslėse. Jie nustatė rezonansinį dažnį, kuris sustiprina mikroburbulų judėjimą, ir ištyrė ryšį tarp dažnio, burbulų dinamikos ir uždegiminių reakcijų smegenyse.
Jų modelis ir vėlesni eksperimentai parodė, kad specifiniai ultragarso dažniai gali sustiprinti imuninių ląstelių judėjimą ir padidinti vaistų kaupimąsi smegenų augliuose. Jie taip pat nustatė, kad aukštesni ultragarso dažniai, nors ir veiksmingi atveriant BBB, taip pat buvo susiję su padidėjusia uždegiminių žymenų ekspresija BBB endotelio ląstelėse – tai svarbi išvada, nes per didelis uždegimas gali sukelti papildomų komplikacijų pacientams, turintiems neurologinių sutrikimų.
„Suprasdami ir valdydami mikroburbuliukų dažnio dinamiką, galime sukurti sistemą, kuri maksimaliai padidintų vaistų tiekimo efektyvumą“, – sakė A. Arvanitis. „Mūsų išvados rodo, kad žemesnių dažnių naudojimas gali būti naudingas gydant vaistus, tuo pačiu sumažinant uždegimą, kuris gali būti labai svarbus gydant neurodegeneracines ligas, tokias kaip Alzheimerio ir Parkinsono liga.
Tyrimas turi pasekmių, kurios gali apimti ne tik vaistų pristatymą, bet ir atveria kelią naujiems diagnostikos metodams. Naudojant ultragarsą atidaryti BBB, gydytojai galėtų rinkti svarbią informaciją tiesiai iš smegenų, o tai pagerintų diagnostikos metodus, pavyzdžiui, ultragarsu patobulintas biopsijas.
„Mūsų darbo nustatyti moksliniai principai ne tik sustiprina mūsų gebėjimą kurti saugesnius ir veiksmingesnius smegenų ligų gydymo būdus, bet ir sudaro pagrindą naujoviškoms diagnostikos ir gydymo strategijoms smegenyse ir už jų ribų“, – sakė Arvanitis, kurio komandą sudarė magistrantai. iš jo laboratorijos, taip pat mokslininkai iš Kalifornijos universiteto (San Franciskas), Stanfordo ir Edinburgo universiteto.
Jis pridūrė: „Mikroburbulų, sąveikaujančių su kraujagyslėmis, dinamika gali turėti svarbių pasekmių kitoms medicinos sritims, kurių mes dar neištyrėme“.