ETH -Zürich -Forscher haben untersucht, wie winzige Gasblasen Mikrobläschen mit Ultraschall in Zellen in Zellen liefern können. Zum ersten Mal haben sie sich vorgestellt, wie winzige cyclische Mikrojets flüssige Jets, die von Mikrobläschen erzeugt wurden, in die Zellmembran eindringen, die die Aufnahme von Arzneimitteln ermöglichen. ETH ZURICHER -Forscher haben untersucht, wie Mikrobläschen winzige Gasblasen mit Ultraschallmedikamente in Zellen in Zellen liefern können. Zum ersten Mal haben sie sich vorgestellt, wie winzige cyclische Mikrojets flüssige Jets, die von Mikrobläschen erzeugt wurden, in die Zellmembran eindringen, die die Wirtschaft der Arzneimittel ermöglichen.
Die gezielte Behandlung von Gehirnkrankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Hirntumoren ist eine Herausforderung, da das Gehirn ein besonders empfindliches Organ ist, das gut geschützt ist. Deshalb arbeiten Forscher daran, wie Arzneimittel genau über den Blutkreislauf Arzneimittel an das Gehirn liefern. Ziel ist es, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden, die normalerweise nur bestimmte Nährstoffe und Sauerstoff durchlaufen lassen.
Mikrobläschen, die auf Ultraschall reagieren, sind eine besonders vielversprechende Methode für diese Art der Therapie. Diese Mikrobläschen sind kleiner als eine mit Gas gefüllte rote Blutkörperchen und bestehen aus einer speziellen Beschichtung von Fettmolekülen, um sie zu stabilisieren. Sie werden zusammen mit dem Arzneimittel in den Blutkreislauf injiziert und an der Zielstelle mit Ultraschall aktiviert. Die Wirkungsbewegung der Mikrobläschen erzeugt winzige Poren in der Zellmembran der Blutgefäßwand, die das Medikament dann durchlaufen kann.
Wie genau Mikrobläschen diese Poren erzeugen, war bisher unklar. Jetzt konnte eine Gruppe von ETH -Forschern unter der Leitung von Outi Supponen, einem Professor am Institut für Fluiddynamik, zum ersten Mal nachweisen, wie dieser Mechanismus funktioniert. „Wir konnten zeigen, dass unter Ultraschall die Oberfläche der Mikrobläschen ihre Form verliert, was zu winzigen Jets aus flüssigen, sogenannten Mikrojeten führt, die in die Zellmembran eindringen“ Studie, die kürzlich veröffentlicht wurde in Naturphysik.
Die unsichtbare Kraft: Flüssige Mikrojets bei 200 km / h
Bisher wusste niemand, wie die Poren in der Zellmembran gebildet wurden, weil die Mikrobläschen nur wenige Mikrometer über messen und bis zu mehreren Millionen Mal pro Sekunde unter Ultraschall vibrieren. Dies ist ein Prozess, der unglaublich schwer zu beobachten ist und eine spezielle Einrichtung im Labor erfordert. „Bisher haben die meisten Studien den Prozess von oben durch ein herkömmliches Mikroskop untersucht. Aber wenn Sie das tun, können Sie nicht sehen, was zwischen dem Mikrobubble und der Zelle passiert“, sagt Cattaneo. Die Forscher bauten daher ein Mikroskop mit einer Vergrößerung von 200x, mit der sie den Prozess von der Seite beobachten und an eine Hochgeschwindigkeitskamera angeschlossen wurden, die bis zu zehn Millionen Bilder pro Sekunde aufnehmen kann.
Für ihr Experiment ahmten sie die Blutgefäßwand mit einem In-vitro-Modell nach, wobei die Endothelzellen auf einer plastischen Membran wuchsen. Sie legten diese Membran auf eine Schachtel mit transparenten Wänden, die mit einer Kochsalzlösung und einem Modellmedikament gefüllt sind, wobei die Zellen wie ein Deckel nach unten gerichtet sind. Die mit Gas gefüllte Mikrobubble stieg automatisch nach oben und nahm Kontakt mit den Zellen auf. Die Mikrobläschen wurden dann durch einen mikrosekundenlangen Ultraschallpuls in Schwingung eingestellt.
Die gezielte Behandlung von Gehirnkrankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Hirntumoren ist eine Herausforderung, da das Gehirn ein besonders empfindliches Organ ist, das gut geschützt ist. Deshalb arbeiten Forscher daran, wie Arzneimittel genau über den Blutkreislauf Arzneimittel an das Gehirn liefern. Ziel ist es, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden, die normalerweise nur bestimmte Nährstoffe und Sauerstoff durchlaufen lassen.
Mikrobläschen, die auf Ultraschall reagieren, sind eine besonders vielversprechende Methode für diese Art der Therapie. Diese Mikrobläschen sind kleiner als eine mit Gas gefüllte rote Blutkörperchen und bestehen aus einer speziellen Beschichtung von Fettmolekülen, um sie zu stabilisieren. Sie werden zusammen mit dem Arzneimittel in den Blutkreislauf injiziert und an der Zielstelle mit Ultraschall aktiviert. Die Wirkungsbewegung der Mikrobläschen erzeugt winzige Poren in der Zellmembran der Blutgefäßwand, die das Medikament dann durchlaufen kann.
Wie genau Mikrobläschen diese Poren erzeugen, war bisher unklar. Jetzt konnte eine Gruppe von ETH -Forschern unter der Leitung von Outi Supponen, einem Professor am Institut für Fluiddynamik, zum ersten Mal nachweisen, wie dieser Mechanismus funktioniert. „Wir konnten zeigen, dass unter Ultraschall die Oberfläche der Mikrobläschen ihre Form verliert, was zu winzigen Jets aus flüssigen, sogenannten Mikrojeten führt, die in die Zellmembran eindringen“ Studie, die kürzlich in Nature Physics veröffentlicht wurde.
Die unsichtbare Kraft: Flüssige Mikrojets bei 200 km / h
Bisher wusste niemand, wie die Poren in der Zellmembran gebildet wurden, weil die Mikrobläschen nur wenige Mikrometer über messen und bis zu mehreren Millionen Mal pro Sekunde unter Ultraschall vibrieren. Dies ist ein Prozess, der unglaublich schwer zu beobachten ist und eine spezielle Einrichtung im Labor erfordert. „Bisher haben die meisten Studien den Prozess von oben durch ein herkömmliches Mikroskop untersucht. Aber wenn Sie das tun, können Sie nicht sehen, was zwischen dem Mikrobubble und der Zelle passiert“, sagt Cattaneo. Die Forscher bauten daher ein Mikroskop mit einer Vergrößerung von 200x, mit der sie den Prozess von der Seite beobachten und an eine Hochgeschwindigkeitskamera angeschlossen wurden, die bis zu zehn Millionen Bilder pro Sekunde aufnehmen kann.
Für ihr Experiment ahmten sie die Blutgefäßwand mit einem In-vitro-Modell nach, wobei die Endothelzellen auf einer plastischen Membran wuchsen. Sie legten diese Membran auf eine Schachtel mit transparenten Wänden, die mit einer Kochsalzlösung und einem Modellmedikament gefüllt sind, wobei die Zellen wie ein Deckel nach unten gerichtet waren. Die mit Gas gefüllte Mikrobubble stieg automatisch nach oben und nahm Kontakt mit den Zellen auf. Die Mikrobläschen wurden dann durch einen mikrosekundenlangen Ultraschallpuls in Schwingung eingestellt.
„Bei einem ausreichend hohen Ultraschalldruck stoppen Mikrobläschen in einer kugelförmigen Form und beginnen sich in regelmäßige, nicht-sphärische Muster umzuwandeln“, sagt Supponen. Die „Lappen“ dieser Muster schwingen zyklisch und drücken nach innen und nach außen. Die Forscher stellten fest, dass über einem bestimmten Ultraschalldruck die nach innen gefalteten Lappen so tief versenkt werden können, dass sie starke Jets erzeugen, die gesamte Blase überqueren und Kontakt mit der Zelle aufnehmen.
Diese Mikrojets bewegen sich mit einer unglaublichen Geschwindigkeit von 200 km / h und können die Zellmembran wie ein gezielter Pinprick durchführen, ohne die Zelle zu zerstören. Dieser Strahlmechanismus zerstört nicht die Blase, was bedeutet, dass sich ein neuer Mikrojet mit jedem Ultraschallzyklus bilden kann.
Physik im Dienst der Medizin
„Ein faszinierender Aspekt ist, dass dieser Ejektionsmechanismus bei niedrigen Ultraschalldrücken von etwa 100 kPa ausgelöst wird“, sagt Supponen. Dies bedeutet, dass der Ultraschalldruck, der auf die Mikrobläschen wirkt, und daher auf den Patienten vergleichbar ist, mit dem atmosphärischen Luftdruck, der die ganze Zeit um uns herum ist.
Die Forscher der Gruppe von Supponens machten nicht nur visuelle Beobachtungen, sondern lieferten auch Erklärungen unter Verwendung einer Reihe verschiedener theoretischer Modelle. Sie konnten nachweisen, dass die Mikrojets mit Abstand das größte Schadenspotential gegenüber den vielen anderen Mechanismen haben, die in der Vergangenheit vorgeschlagen wurden, was die Beobachtung der Forscher stark unterstützt, dass die Zellmembran nur durchbohrt wird, wenn ein Mikrojet erzeugt wird. Cattaneo sagt: „Mit unserem Labor-Setup haben wir jetzt eine bessere Möglichkeit, die Mikrobläschen zu beobachten und die Zellmikrobrubble-Wechselwirkung genauer zu beschreiben.“ Dieses System kann auch verwendet werden, um zu untersuchen, wie neue von anderen Forschern entwickelte neue Mikrobubble -Formulierungen auf Ultraschall reagieren.
Supponen fügt hinzu: „Unsere Arbeit verdeutlicht die physischen Grundlagen für die gezielte Verabreichung von Arzneimitteln durch Mikrobläschen und hilft uns, Kriterien für ihre sichere und effektive Verwendung zu definieren.“ Dies bedeutet, dass die richtige Kombination aus Häufigkeit, Druck und Mikrobubble -Größe dazu beitragen kann, das Ergebnis der Therapie zu maximieren und gleichzeitig eine größere Sicherheit und ein geringeres Risiko für Patienten zu gewährleisten. „Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass nur ein paar Ultraschallimpulse ausreichen, um eine Zellmembran zu perfizieren. Dies ist auch eine gute Nachricht für Patienten“, sagt Supponen. Umgekehrt kann die Beschichtung der Mikrobläschen auch für die erforderliche Ultraschallfrequenz optimiert werden, was es den Jets erleichtert, sich zu bilden.
„Bei einem ausreichend hohen Ultraschalldruck stoppen Mikrobläschen in einer kugelförmigen Form und beginnen sich in regelmäßige, nicht-sphärische Muster umzuwandeln“, sagt Supponen. Die „Lappen“ dieser Muster schwingen zyklisch und drücken nach innen und nach außen. Die Forscher stellten fest, dass über einem bestimmten Ultraschalldruck die nach innen gefalteten Lappen so tief versenkt werden können, dass sie starke Jets erzeugen, die gesamte Blase überqueren und Kontakt mit der Zelle aufnehmen.
Diese Mikrojets bewegen sich mit einer unglaublichen Geschwindigkeit von 200 km / h und können die Zellmembran wie ein gezielter Pinprick durchführen, ohne die Zelle zu zerstören. Dieser Strahlmechanismus zerstört nicht die Blase, was bedeutet, dass sich ein neuer Mikrojet mit jedem Ultraschallzyklus bilden kann.
Physik im Dienst der Medizin
„Ein faszinierender Aspekt ist, dass dieser Ejektionsmechanismus bei niedrigen Ultraschalldrücken von etwa 100 kPa ausgelöst wird“, sagt Supponen. Dies bedeutet, dass der Ultraschalldruck, der auf die Mikrobläschen wirkt, und daher auf den Patienten vergleichbar ist, mit dem atmosphärischen Luftdruck, der die ganze Zeit um uns herum ist.
Die Forscher der Gruppe von Supponens machten nicht nur visuelle Beobachtungen, sondern lieferten auch Erklärungen unter Verwendung einer Reihe verschiedener theoretischer Modelle. Sie konnten nachweisen, dass die Mikrojets mit Abstand das größte Schadenspotential gegenüber den vielen anderen Mechanismen haben, die in der Vergangenheit vorgeschlagen wurden, was die Beobachtung der Forscher stark unterstützt, dass die Zellmembran nur durchbohrt wird, wenn ein Mikrojet erzeugt wird. Cattaneo sagt: „Mit unserem Labor-Setup haben wir jetzt eine bessere Möglichkeit, die Mikrobläschen zu beobachten und die Zellmikroblubble-Wechselwirkung genauer zu beschreiben.“ Dieses System kann auch verwendet werden, um zu untersuchen, wie neue von anderen Forschern entwickelte neue Mikrobubble -Formulierungen auf Ultraschall reagieren.
Supponen fügt hinzu: „Unsere Arbeit verdeutlicht die physischen Grundlagen für die gezielte Verabreichung von Arzneimitteln durch Mikrobläschen und hilft uns, Kriterien für ihre sichere und effektive Verwendung zu definieren.“ Dies bedeutet, dass die richtige Kombination aus Häufigkeit, Druck und Mikrobubble -Größe dazu beitragen kann, das Ergebnis der Therapie zu maximieren und gleichzeitig eine größere Sicherheit und ein geringeres Risiko für Patienten zu gewährleisten. „Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass nur ein paar Ultraschallimpulse ausreichen, um eine Zellmembran zu perfizieren. Dies ist auch eine gute Nachricht für Patienten“, sagt Supponen. Umgekehrt kann die Beschichtung der Mikrobläschen auch für die erforderliche Ultraschallfrequenz optimiert werden, was es den Jets erleichtert, sich zu bilden.
