Целенаправленное лечение заболеваний головного мозга, таких как болезнь Альцгеймера, Паркинсона или опухоли головного мозга, является сложной задачей, поскольку мозг является особенно чувствительным органом, который хорошо защищен. Вот почему исследователи работают над способами точной доставки лекарств в мозг через кровоток. Цель состоит в том, чтобы преодолеть гематоэнцефалический барьер, который обычно пропускает только определенные питательные вещества и кислород.

Микропузырьки, реагирующие на ультразвук, являются особенно многообещающим методом для такого рода терапии. Эти микропузырьки меньше красных кровяных телец, наполнены газом и состоят из специального покрытия из молекул жира для их стабилизации. Они вводятся в кровоток вместе с лекарством, а затем активируются в целевом месте с помощью ультразвука. Движение микропузырьков создает крошечные поры в клеточной мембране стенки кровеносного сосуда, через которые затем может проходить лекарственное средство.

Ранее было неясно, как именно микропузырьки создают эти поры. Теперь группа исследователей ETH во главе с Оути Суппоненом, профессором Института гидродинамики, впервые смогла продемонстрировать, как работает этот механизм. "Мы смогли показать, что под воздействием ультразвука поверхность микропузырьков теряет свою форму, в результате чего образуются крошечные струи жидкости, так называемые микроструи, которые проникают через клеточную мембрану", - объясняет Марко Каттанео, докторант Суппонена и ведущий автор исследования, которое недавно было опубликовано в Nature Physics.

Невидимая сила: микроструи жидкости со скоростью 200 км/ч

До сих пор никто не знал, как образуются поры в клеточной мембране, потому что микропузырьки имеют диаметр всего несколько микрометров и вибрируют под воздействием ультразвука со скоростью до нескольких миллионов раз в секунду. Это процесс, который невероятно трудно наблюдать и который требует специальной установки в лаборатории. "До сих пор в большинстве исследований процесс рассматривался сверху с помощью обычного микроскопа. Но когда вы делаете это, вы не можете видеть, что происходит между микропузырьком и клеткой", - говорит Каттанео. Поэтому исследователи сконструировали микроскоп с 200-кратным увеличением, который позволяет им наблюдать за процессом со стороны, и подключили его к высокоскоростной камере, способной делать до десяти миллионов снимков в секунду.

Для своего эксперимента они имитировали стенку кровеносного сосуда, используя модель in vitro, выращивая эндотелиальные клетки на пластиковой мембране. Они поместили эту мембрану на коробку с прозрачными стенками, заполненную физиологическим раствором и модельным лекарственным средством, так, чтобы клетки были обращены вниз, как крышка. Наполненный газом микропузырек автоматически поднялся наверх и вступил в контакт с ячейками. Затем микропузырьки приводились в вибрацию импульсом ультразвука продолжительностью в микросекунду.

Целенаправленное лечение заболеваний головного мозга, таких как болезнь Альцгеймера, Паркинсона или опухоли головного мозга, является сложной задачей, поскольку мозг является особенно чувствительным органом, который хорошо защищен. Вот почему исследователи работают над способами точной доставки лекарств в мозг через кровоток. Цель состоит в том, чтобы преодолеть гематоэнцефалический барьер, который обычно пропускает только определенные питательные вещества и кислород.

Микропузырьки, реагирующие на ультразвук, являются особенно многообещающим методом для такого рода терапии. Эти микропузырьки меньше красных кровяных телец, наполнены газом и состоят из специального покрытия из молекул жира для их стабилизации. Они вводятся в кровоток вместе с лекарством, а затем активируются в целевом месте с помощью ультразвука. Движение микропузырьков создает крошечные поры в клеточной мембране стенки кровеносного сосуда, через которые затем может проходить лекарственное средство.

Ранее было неясно, как именно микропузырьки создают эти поры. Теперь группа исследователей ETH во главе с Оути Суппоненом, профессором Института гидродинамики, впервые смогла продемонстрировать, как работает этот механизм. "Мы смогли показать, что под воздействием ультразвука поверхность микропузырьков теряет свою форму, в результате чего образуются крошечные струи жидкости, так называемые микроструи, которые проникают через клеточную мембрану", - объясняет Марко Каттанео, докторант Суппонена и ведущий автор исследования, которое недавно было опубликовано в Nature Physics.

Невидимая сила: микроструи жидкости со скоростью 200 км/ч

До сих пор никто не знал, как образуются поры в клеточной мембране, потому что микропузырьки имеют диаметр всего несколько микрометров и вибрируют под воздействием ультразвука со скоростью до нескольких миллионов раз в секунду. Это процесс, который невероятно трудно наблюдать и который требует специальной установки в лаборатории. "До сих пор в большинстве исследований процесс рассматривался сверху с помощью обычного микроскопа. Но когда вы делаете это, вы не можете видеть, что происходит между микропузырьком и клеткой", - говорит Каттанео. Поэтому исследователи сконструировали микроскоп с 200-кратным увеличением, который позволяет им наблюдать за процессом со стороны, и подключили его к высокоскоростной камере, способной делать до десяти миллионов снимков в секунду.

Для своего эксперимента они имитировали стенку кровеносного сосуда, используя модель in vitro, выращивая эндотелиальные клетки на пластиковой мембране. Они поместили эту мембрану на коробку с прозрачными стенками, заполненную физиологическим раствором и модельным лекарственным средством, так, чтобы клетки были обращены вниз, как крышка. Наполненный газом микропузырек автоматически поднялся наверх и вступил в контакт с ячейками. Затем микропузырьки приводились в вибрацию импульсом ультразвука продолжительностью в микросекунду.

"При достаточно высоком давлении ультразвука микропузырьки перестают колебаться в сферической форме и начинают принимать правильную, несферическую форму", - говорит Суппонен. "Лепестки" этих паттернов циклически колеблются, проталкиваясь внутрь и наружу. Исследователи обнаружили, что при превышении определенного ультразвукового давления загнутые внутрь лепестки могут погружаться настолько глубоко, что генерируют мощные струи, пересекающие весь пузырь и вступающие в контакт с клеткой.

Эти микроструи движутся с невероятной скоростью 200 км/ч и способны пробивать клеточную мембрану подобно точечному уколу булавкой, не разрушая клетку. Этот струйный механизм не разрушает пузырь, а это означает, что с каждым циклом ультразвука может образовываться новая микроструя.

Физика на службе медицины

"Интригующим аспектом является то, что этот механизм выброса срабатывает при низком давлении ультразвука, около 100 кПа", - говорит Суппонен. Это означает, что ультразвуковое давление, действующее на микропузырьки, а следовательно, и на пациента, сравнимо с атмосферным давлением воздуха, которое постоянно находится вокруг нас.

Исследователи из группы Суппонена не только проводили визуальные наблюдения, но и давали объяснения, используя ряд различных теоретических моделей. Они смогли показать, что микроструи обладают на сегодняшний день наибольшим потенциалом повреждения по сравнению со многими другими механизмами, которые были предложены в прошлом, что убедительно подтверждает наблюдение исследователей о том, что клеточная мембрана прокалывается только тогда, когда генерируется микроструя. Каттанео говорит: "Благодаря нашей лабораторной установке у нас теперь есть лучший способ наблюдения за микропузырьками и мы можем более точно описать взаимодействие клетки и микропузырька". Эта система также может быть использована, например, для изучения того, как новые составы микропузырьков, разработанные другими исследователями, реагируют на ультразвук.

Суппонен добавляет: "Наша работа проясняет физические основы целенаправленного введения лекарств с помощью микропузырьков и помогает нам определить критерии их безопасного и эффективного применения". Это означает, что правильное сочетание частоты, давления и размера микропузырьков может помочь максимизировать результат терапии, обеспечивая при этом большую безопасность и меньший риск для пациентов. "Кроме того, мы смогли показать, что всего нескольких импульсов ультразвука достаточно, чтобы пробить клеточную мембрану. Это также хорошая новость для пациентов", - говорит Суппонен. И наоборот, покрытие микропузырьков также может быть оптимизировано для требуемой частоты ультразвука, что облегчает формирование струй.

"При достаточно высоком давлении ультразвука микропузырьки перестают колебаться в сферической форме и начинают принимать правильную, несферическую форму", - говорит Суппонен. "Лепестки" этих паттернов циклически колеблются, проталкиваясь внутрь и наружу. Исследователи обнаружили, что при превышении определенного ультразвукового давления загнутые внутрь лепестки могут погружаться настолько глубоко, что генерируют мощные струи, пересекающие весь пузырь и вступающие в контакт с клеткой.

Эти микроструи движутся с невероятной скоростью 200 км/ч и способны пробивать клеточную мембрану подобно точечному уколу булавкой, не разрушая клетку. Этот струйный механизм не разрушает пузырь, а это означает, что с каждым циклом ультразвука может образовываться новая микроструя.

Физика на службе медицины

"Интригующим аспектом является то, что этот механизм выброса срабатывает при низком давлении ультразвука, около 100 кПа", - говорит Суппонен. Это означает, что ультразвуковое давление, действующее на микропузырьки, а следовательно, и на пациента, сравнимо с атмосферным давлением воздуха, которое постоянно находится вокруг нас.

Исследователи из группы Суппонена не только проводили визуальные наблюдения, но и давали объяснения, используя ряд различных теоретических моделей. Они смогли показать, что микроструи обладают на сегодняшний день наибольшим потенциалом повреждения по сравнению со многими другими механизмами, которые были предложены в прошлом, что убедительно подтверждает наблюдение исследователей о том, что клеточная мембрана прокалывается только тогда, когда генерируется микроструя. Каттанео говорит: "Благодаря нашей лабораторной установке у нас теперь есть лучший способ наблюдения за микропузырьками и мы можем более точно описать взаимодействие клетки и микропузырька". Эта система также может быть использована, например, для изучения того, как новые составы микропузырьков, разработанные другими исследователями, реагируют на ультразвук.

Суппонен добавляет: "Наша работа проясняет физические основы целенаправленного введения лекарств с помощью микропузырьков и помогает нам определить критерии их безопасного и эффективного применения". Это означает, что правильное сочетание частоты, давления и размера микропузырьков может помочь максимизировать результат терапии, обеспечивая при этом большую безопасность и меньший риск для пациентов. "Кроме того, мы смогли показать, что всего нескольких импульсов ультразвука достаточно, чтобы пробить клеточную мембрану. Это также хорошая новость для пациентов", - говорит Суппонен. И наоборот, покрытие микропузырьков также может быть оптимизировано для требуемой частоты ультразвука, что облегчает формирование струй.