Biomedicinska ingenjörer vid Johns Hopkins rapporterar att de har utarbetat ett icke-invasivt sätt att frigöra och leverera koncentrerade mängder av ett läkemedel till hjärnan på råttor på ett tillfälligt sätt. lokaliserat sätt med hjälp av ultraljud. Metoden "burar" först en drog i en liten, biologiskt nedbrytbara "nanopartiklar, " aktiverar sedan dess utlösning genom exakt riktade ljudvågor, som de som används för att smärtfritt och icke-invasivt skapa bilder av inre organ.

Eftersom de flesta psykoaktiva droger skulle kunna levereras på detta sätt, såväl som många andra typer av droger, forskarna säger att deras metod har potential att främja många terapier och forskningsstudier i och utanför hjärnan.

De säger också att deras metod ska minimera ett läkemedels biverkningar eftersom läkemedlets frisättning är koncentrerad till ett litet område av kroppen, så den totala mängden administrerat läkemedel kan vara mycket lägre. Och eftersom de individuella komponenterna i tekniken – inklusive användningen av de specifika biomaterialen, ultraljud och FDA-godkända läkemedel – har redan testats på människor och befunnits vara säkra, forskarna tror att deras metod skulle kunna tas i klinisk användning snabbare än vanligt:​​de hoppas kunna påbörja den regulatoriska godkännandeprocessen inom det närmaste år eller två.

"Om ytterligare testning av vår kombinationsmetod fungerar på människor, det kommer inte bara att ge oss ett sätt att rikta mediciner till specifika delar av hjärnan, men kommer också att låta oss lära oss mycket mer om funktionen hos varje hjärnområde, säger Jordan Green, Ph.D., docent i biomedicinsk teknik, som också är medlem i Kimmel Cancer Center och Institute for Nanobiotechnology.

Detaljer om forskningen publiceras den 23 januari i tidskriften Nanobokstäver .

Den nya forskningen, Green säger, designades för att ytterligare föra fram metoder för att få droger säkert till hjärnan, ett känsligt och utmanande organ att behandla. För att skydda sig mot infektionsämnen - och från svullnad som kan orsakas av immunsystemet, till exempel - hjärnan är omgiven av ett molekylärt staket, kallas blod-hjärnbarriären (BBB), som kantar ytan på varje blodkärl som matar hjärnan. Endast mycket små läkemedelsmolekyler som löser sig i olja kan ta sig igenom stängslet, tillsammans med gaser. På grund av detta, de flesta läkemedel som utvecklats för att behandla hjärnsjukdomar passar dessa kriterier men är spridda till alla delar av hjärnan – och resten av kroppen, där de kan vara onödiga och oönskade.

Raag Airan, M.D., Ph.D., biträdande professor i radiologi vid Stanford University Medical Center och medförfattare till artikeln, säger:"När man arbetar med en patient som har posttraumatisk stressyndrom, till exempel, det skulle vara trevligt att tysta ner den överaktiva delen av hjärnan – till exempel, amygdala – under samtalsterapisessioner. Dagens teknik kan i bästa fall tysta halva hjärnan åt gången, så de är för ospecifika för att vara användbara i den här inställningen."

I den nya studien, forskarna tog en cue från tidigare användning av nanopartiklar och ultraljud för att leverera kemoterapeutiska läkemedel till tumörer under huden. I sina senaste experiment, Greens grupp designade nanopartiklar med en yttre expanderbar "bur" gjord av en biologiskt nedbrytbar plast, vars molekylära byggstenar är oljeälskande i ena änden och vattenälskande i den andra. De oljeälskande ändarna klänger ihop och bildar en expanderbar sfär med de vattenälskande ändarna på utsidan. De oljeälskande ändarna binder läkemedlet som ska levereras, som i detta fall var propofol, ett bedövningsmedel som vanligtvis används för att behandla anfall hos människor.

Mitten av buren fylldes med flytande perfluorpentan. När ljudvågorna från ultraljud – som levereras noninvasivt över hårbotten och skallen med FDA-godkända enheter – slår perfluorpentan i mitten av nanopartiklarna, vätskan omvandlas till en gas, utvidga den omgivande buren och låta propofolen komma ut.

Innan de testar sin idé på djur, Green och hans kollegor finjusterade sitt ultraljudsprotokoll genom att testa nanopartiklar i plaströr, försöker hitta pulser med rätt kraft och frekvens för att frigöra tillräckliga mängder av läkemedlet utan att vara tillräckligt stark för att skada BBB, en känd effekt av kraftfullt ultraljud.

De testade också fördelningen av nanopartiklar i råttor genom att lägga till ett fluorescerande färgämne till partiklarna och mäta mängden färgämne som finns i blod- och organprover över tiden. Majoriteten av partiklarna hamnade i mjälten och levern, som är viktiga hushållsorgan i kroppen. Som förväntat, partiklar hittades inte i hjärnan eftersom de är för stora för att passera genom BBB. Istället, forskarna förlitade sig på propofols egen förmåga att passera genom BBB när den väl släpptes lokalt från nanopartiklarna.

För att se om deras metod kan ge medicinsk lindring till levande djur, de gav sedan råttor en drog som orsakar anfall, följt av propofol-laddade nanopartiklar. De använde MRT för att styra deras applicering av ultraljudet till råtthjärnan och på så sätt frigöra läkemedlet från nanopartiklar som flyter genom infiltrerande blodkärl. Så fort de applicerade ultraljudet, råttornas anfallsaktivitet lugnade ner sig.

"Dessa experiment visar effektiviteten av denna metod för att manipulera funktionen hos hjärnceller genom exakt leverans av droger, " säger Green. "Hos människor, ultraljudsmaskiner kan rikta in sig på en volym så liten som några millimeter i kub, mindre än en tiotusendel av hjärnan."

Airan, som gjorde sitt stipendium och residens på Johns Hopkins Hospital under studien, säger att en av de mest lovande, omedelbara tillämpningar av den nya tekniken kan vara för den "hjärnkartläggning" som krävs innan många neurokirurgier. Innan en kirurg skär in i hjärnan för att ta bort en tumör, till exempel, han eller hon behöver veta var han inte ska klippa. "För närvarande, som kräver att patienten håller sig vaken, medan kirurgen exponerar hjärnan och sonderar den med elektroder medan han bedömer svaren. Ultraljudsmetoden skulle tillåta oss att använda ett läkemedel som propofol för att kort "stänga av" specifika delar av hjärnan ett i taget, innan operationen, med inget mer invasivt än ett nålstick, " han säger.

Eftersom ultraljud, MRT och varje komponent i nanopartiklarna har godkänts för annan användning hos människor, forskarna förväntar sig en kort tidslinje för att få sin idé till patienter, men de erkänner att dess tillämpningar kommer att begränsas något av kostnaden och tillgängligheten för MRI-skanningar – åtminstone på kort sikt.

"Vår nuvarande modell kräver avbildning i realtid av hjärnan medan ultraljudet appliceras, " säger Airan. "Baserat på liknande procedurer som jag redan gör, som kan kosta upp till $30, 000 till $50, 000. Men vi arbetar på mjukvara som skulle tillåta oss att synkronisera en enda MRI-bild med ultraljudsstyrsystemet för att minska kostnaden avsevärt."

Under tiden, forskarna tror att det fortfarande kommer att vara kliniskt relevant i många situationer där man vet att ett läkemedels effekter varar i flera veckor. De förväntar sig också att det kommer att användas i stor utsträckning inom hjärnforskning för att studera och manipulera funktionen hos specifika delar av hjärnan på ett kontrollerat sätt.