Mikrobańki - Microbubble
Mikropęcherzyki (MB) to pęcherzyki o średnicy mniejszej niż jedna setna milimetra, ale większe niż jeden mikrometr . Mają szerokie zastosowanie w przemyśle, naukach przyrodniczych i medycynie. Skład powłoki bąbelkowej i materiału wypełniającego określają ważne cechy konstrukcyjne, takie jak wyporność, wytrzymałość na zgniatanie , przewodność cieplna i właściwości akustyczne.
Wykorzystywane są w diagnostyce medycznej jako środek kontrastowy do obrazowania ultrasonograficznego . Mikropęcherzyki wypełnione gazem, zwykle powietrzem lub perfluorowęglowodorem , oscylują i wibrują, gdy przykładane jest pole energii dźwiękowej i mogą odbijać fale ultradźwiękowe. To odróżnia mikropęcherzyki od otaczających tkanek. W praktyce, ponieważ pęcherzyki gazu w cieczy nie są stabilne i dlatego szybko się rozpuszczają, mikropęcherzyki muszą być otoczone stałą otoczką. Otoczka jest wykonana z lipidu lub białka, takiego jak mikropęcherzyki Optison, które składają się z gazowego perfluoropropanu zamkniętego w otoczce albuminy surowicy . Najbardziej stabilne termodynamicznie są materiały posiadające hydrofilową warstwę zewnętrzną oddziałującą z krwią oraz hydrofobową warstwę wewnętrzną mieszczącą cząsteczki gazu. Powietrze, sześciofluorek siarki i gazy perfluorowęglowodorowe mogą służyć jako skład wnętrza MB. W celu zwiększenia stabilności i trwałości w krwiobiegu, gazy o wysokiej masie cząsteczkowej i niskiej rozpuszczalności we krwi są atrakcyjnymi kandydatami na rdzenie gazowe MB.
Mikropęcherzyki mogą być używane do dostarczania leków , usuwania biofilmu , czyszczenia membran/kontroli biofilmu i oczyszczania wody/ścieków. Są one również wytwarzane przez ruch kadłuba statku przez wodę, tworząc warstwę bąbelkową; może to zakłócać korzystanie z sonaru ze względu na tendencję warstwy do pochłaniania lub odbijania fal dźwiękowych.
Odpowiedź akustyczna
Kontrast w obrazowaniu ultradźwiękowym opiera się na różnicy w impedancji akustycznej, będącej funkcją zarówno prędkości fali ultradźwiękowej, jak i gęstości tkanek, między tkankami lub obszarami zainteresowania. Ponieważ fale dźwiękowe indukowane przez ultradźwięki wchodzą w interakcję z interfejsem tkankowym, niektóre fale są odbijane z powrotem do przetwornika. Im większa różnica, tym więcej fal jest odbijanych i tym wyższy jest stosunek sygnału do szumu. W związku z tym MB, które mają rdzeń o rzędach wielkości mniejszych niż otaczające tkanki i krew, i kompresują się łatwiej niż otaczające tkanki i krew, zapewniają wysoki kontrast w obrazowaniu.
Aplikacja terapeutyczna
Fizyczna odpowiedź
Pod wpływem ultradźwięków MB oscylują w odpowiedzi na nadchodzące fale ciśnienia na jeden z dwóch sposobów. Przy niższych ciśnieniach, wyższych częstotliwościach i większej średnicy MB, MB stabilnie oscylują lub kawitują. Powoduje to mikrostrumieniowanie w pobliżu otaczających naczyń i tkanek, wywołując naprężenia ścinające, które mogą tworzyć pory w warstwie śródbłonka. To tworzenie porów zwiększa endocytozę i przepuszczalność. Przy niższych częstotliwościach, wyższych ciśnieniach i mniejszej średnicy mikropęcherzyków MB oscylują bezwładnie; gwałtownie się rozszerzają i kurczą, ostatecznie prowadząc do zapadnięcia się mikropęcherzyków. Zjawisko to może powodować naprężenia mechaniczne i mikrostrumienie wzdłuż ściany naczyniowej, które, jak wykazano, zakłócają ścisłe połączenia komórkowe, a także indukują przepuszczalność komórek. Niezwykle wysokie ciśnienia powodują zniszczenie małych naczyń, ale ciśnienie można dostroić tak, aby tworzyły tylko przejściowe pory in vivo. Niszczenie MB służy jako pożądana metoda nośników do dostarczania leków. Powstała siła destrukcji może usunąć ładunek terapeutyczny obecny na mikrobańce i jednocześnie uczulić otaczające komórki na wchłanianie leku.
Dostawa narkotyków
MB mogą służyć jako nośniki leków na różne sposoby. Najważniejsze z nich to: (1) włączenie leku lipofilowego do monowarstwy lipidowej, (2) przymocowanie nanocząstek i liposomów do powierzchni mikropęcherzyków, (3) otoczenie mikropęcherzyka w większym liposomie oraz (4) elektrostatyczne wiązanie kwasów nukleinowych do powierzchni MB.
I. Leki lipofilowe
MB mogą ułatwiać lokalne ukierunkowanie leków hydrofobowych poprzez włączenie tych środków do otoczki lipidowej MB. Ta technika enkapsulacji zmniejsza toksyczność ogólnoustrojową, zwiększa lokalizację leku i poprawia rozpuszczalność leków hydrofobowych. W celu zwiększenia lokalizacji, na zewnątrz MB można dołączyć ligand kierujący. Poprawia to skuteczność leczenia. Jedną wadą kapsułkowanego w lipidzie MB jako nośnika leku jest jego niska skuteczność. Aby temu zaradzić, do wnętrza monowarstwy lipidowej można wprowadzić powłokę olejową, aby zwiększyć skuteczność ładunku.
II. Nanocząstka i przyczepność liposomowa
Badano również przyłączanie liposomów lub nanocząstek na zewnątrz lipidu MB w celu zwiększenia ładunku MB. Po zniszczeniu MB za pomocą ultradźwięków, te mniejsze cząstki mogą przedostać się do tkanki nowotworowej. Co więcej, dzięki przyłączeniu tych cząstek do MB, w przeciwieństwie do współwstrzykiwania, lek jest zamykany w krwiobiegu zamiast akumulować się w zdrowych tkankach, a leczenie sprowadza się do lokalizacji terapii ultradźwiękowej. Ta modyfikacja MB jest szczególnie atrakcyjna dla Doxil, lipidowego preparatu doksorubicyny, który jest już stosowany klinicznie. Analiza nacieku nanocząsteczkowego spowodowanego zniszczeniem MB wskazuje, że wyższe ciśnienia są niezbędne do przepuszczalności naczyń i prawdopodobnie poprawiają leczenie poprzez promowanie miejscowego ruchu płynów i nasilenie endocytozy.
III. Ładowanie mikropęcherzyków wewnątrz liposomu
Innym nowatorskim systemem MB reagującym na akustykę jest bezpośrednie zamknięcie MBs wewnątrz liposomu. Te systemy krążą w organizmie dłużej niż same MB, ponieważ ta metoda pakowania zapobiega rozpuszczaniu MB w krwiobiegu. Leki hydrofilowe utrzymują się w środowisku wodnym wewnątrz liposomu, podczas gdy leki hydrofobowe gromadzą się w dwuwarstwie lipidowej. Wykazano in vitro, że makrofagi nie pochłaniają tych cząstek.
IV. Dostarczanie genów poprzez interakcje elektrostatyczne
MB służą również jako wektor niewirusowy do transfekcji genów poprzez wiązania elektrostatyczne między dodatnio naładowaną zewnętrzną powłoką MB a ujemnie naładowanymi kwasami nukleinowymi. Przejściowe pory utworzone przez zapadnięcie się mikropęcherzyków umożliwiają przechodzenie materiału genetycznego do komórek docelowych w bezpieczniejszy i bardziej specyficzny sposób niż obecne metody leczenia. MB były używane do dostarczania mikroRNA, plazmidów, małego interferującego RNA i informacyjnego RNA.
Wady mikropęcherzyków do dostarczania leków
- MB ze względu na ich duże rozmiary nie ulegają łatwemu wynaczynieniu, a zatem ich działanie jest sprowadzane do układu naczyniowego. Nanokropelki, kropelki cieczy perfluorowęglowodorowej otoczone powłoką lipidową, które odparowują pod wpływem impulsu ultradźwiękowego, mają małą średnicę sprzyjającą wynaczynieniu i stanowią alternatywę dla MB.
- MBs mają krótkie okresy półtrwania rzędu minut w obiegu, co ogranicza czas leczenia.
- MB są filtrowane przez wątrobę i śledzionę, a każda koniugacja leków mogłaby potencjalnie stanowić zagrożenie toksyczne dla tych narządów, gdyby MB nie uwolniły już swojego ładunku.
- Koniugacje leków z MB są skomplikowane w tłumaczeniu, a te sformułowania byłyby trudne do skalowania do powszechnego stosowania.
- Może wystąpić niewielki krwotok do tkanki mózgowej, gdy mikropęcherzyki zostaną użyte do przerwania bariery krew-mózg , chociaż uważa się, że jest to odwracalne.
Unikalne zastosowania mikropęcherzyków do zastosowań terapeutycznych
MB stosowane do dostarczania leków służą nie tylko jako nośniki leku, ale także jako środek do przenikania przez inne nieprzenikliwe bariery, w szczególności bariery krew-mózg, oraz do zmiany mikrośrodowiska guza.
I. Zakłócenie bariery krew-mózg
Mózg jest chroniony przez ścisłe połączenia w ścianie komórkowej śródbłonka w naczyniach włosowatych, znane jako bariera krew-mózg (BBB). BBB ściśle reguluje to, co przechodzi do mózgu z krwi i chociaż ta funkcja jest bardzo pożądana u zdrowych osób, stanowi również barierę dla środków terapeutycznych, aby dostać się do mózgu u pacjentów z rakiem. W połowie XX wieku wykazano, że ultradźwięki zakłócają barierę krew-mózg, a na początku XXI wieku wykazano, że MB pomagają w tymczasowej permeabilizacji. Od tego czasu ultradźwięki i terapia MB są wykorzystywane do dostarczania terapii do mózgu. Ponieważ przerwanie BBB za pomocą ultradźwięków i leczenia MB okazało się bezpiecznym i obiecującym leczeniem przedklinicznym, dwa badania kliniczne testują dostarczanie doksorubicyny i karboplatyny za pomocą MB w celu lokalnego zwiększenia stężenia leku.
II. Immunoterapia
Oprócz przenikania przez barierę krew-mózg, ultradźwięki i terapia MB mogą zmieniać środowisko guza i służyć jako leczenie immunoterapeutyczne. Ultradźwięki skoncentrowane o wysokiej intensywności (HIFU) same wyzwalają odpowiedź immunologiczną, przypuszczalnie poprzez ułatwienie uwalniania antygenów nowotworowych w celu rozpoznawania komórek odpornościowych, aktywację komórek prezentujących antygen i promowanie ich infiltracji, zwalczanie immunosupresji guza i promowanie odpowiedzi komórek Th1. Zazwyczaj HIFU służy do termicznej ablacji guzów. Skoncentrowane ultradźwięki o niskiej intensywności (LIFU) w połączeniu z MB również wykazały działanie immunostymulujące, hamując wzrost guza i zwiększając endogenną infiltrację leukocytów. Co więcej, obniżenie mocy akustycznej wymaganej do HIFU zapewnia bezpieczniejszą terapię dla pacjenta, a także skróci czas leczenia. Chociaż samo leczenie wykazuje potencjał, spekuluje się, że leczenie kombinatoryczne jest wymagane do pełnego leczenia. Ultradźwięki i leczenie MB bez dodatkowych leków hamowały wzrost małych guzów, ale wymagały leczenia skojarzonego, aby wpłynąć na wzrost guza średniej wielkości. Dzięki mechanizmowi stymulacji immunologicznej ultradźwięki i MB oferują wyjątkową zdolność do przygotowania lub wzmocnienia immunoterapii w celu bardziej skutecznego leczenia raka.
