Forskare vid Duke University har upptäckt ett sätt att förbättra effektiviteten och säkerheten för sonogenetik eller ultraljudsmodulering, framväxande tekniker som använder ljudvågor för att kontrollera beteendet hos enskilda neuroner eller för att främja vävnadstillväxt och sårläkning i andra celler.
Ultraljudsterapi använder ofta riktade ultraljudsvågor för att skapa kavitationsbubblor - små ballonger av snabbt oscillerande luftfickor som sträcker ut närliggande cellmembran när de spricker. Denna stretching kan aktivera kalciumjonkanaler, får en neuron att avfyras, eller kan signalera kroppens reparationsmekanismer att veva till överväxel.
Om en bubbla är för stor eller för nära, dock, tekniken kan skada eller förstöra närliggande celler. Även om detta kan vara det önskade resultatet i tillämpningar som cancerterapi, forskare inom sonogenetik vill vanligtvis undvika skador.
I en ny studie, biomedicinska ingenjörer fann att genom att fästa mikroskopiska pärlor till receptorer på cellens yta, de kan producera teknikens cellsträckning, kalciumfrigörande effekter mycket säkrare.
Resultaten dök upp online veckan den 25 december, 2017 i Proceedings of the National Academy of Science .
"För att få jonkanaler och porer i en cells membran att öppna, du måste vanligtvis sträcka den mycket starkt och mycket snabbt, sa Pei Zhong, Anderson-Rupp professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke. "Men vi upptäckte att att fästa mikropärlor på cellens yta förstärker cellens svar under kavitation och ger samma resultat med mycket mindre risk för cellskador."
Produceras när en kraft skapar ett tomrum i vätska, kavitationsbubblor kan vara tillräckligt kraftfulla för att orsaka allvarliga skador på fartygspropellrar. Även om kavitationsbubblorna som skapas under medicinska procedurer inte är så starka, de kan fortfarande orsaka mycket skada. Och på grund av deras snabbhet och slumpmässighet, det är mycket svårt att studera deras effekter på närliggande celler.
Den nya studien är den första som använder en experimentell plattform som Zhongs team byggde 2015 för att studera sonoporation som tillförlitligt producerar tandemkavitationsbubblor på exakt samma plats varje gång. Genom att placera olika typer av celler på olika avstånd från bubblorna, forskare kan börja utforska detaljerna om hur celler reagerar.
För den första uppföljningsstudien att använda plattformen, Zhong valde att titta på kalciumsignalering.
"Kalciumsignalering reglerar många viktiga cellulära funktioner, som muskelsammandragning, neural kommunikation, gentranskription och vävnadstillväxt, " sa Fenfang Li, en postdoktor vid Zhongs laboratorium och huvudförfattare till studien. "Tidigare studier har visat att sonogenetik och sonoporation orsakar ett kalciumsvar, som kan få neuroner att brinna eller främja läkning i andra celler, så vi ville ta en närmare titt."
Resultaten visade att kavitationsbubblor faktiskt producerar två typer av kalciumsvar:långsamma vågor och snabba vågor. Men mest intressant, studien visade att mikropärlor fästa på cellens yta kan fånga upp en del av bubblornas energi så att de rycker i membranets yta. Detta ger mer lokal deformation – och ett starkare kalciumsvar – från en långsammare, mjukare våg.
"Denna strategi kan stimulera cellerna på ett säkert avstånd från kavitationsbubblorna, ", sade Zhong. "Tillvägagångssättet borde göra det mycket lättare för forskare att säkert använda sonogenetik i mänskliga terapier."
