Att injicera läkemedel i blodomloppet kan ofta också skada friska vävnader. Drug delivery systems (DDS) är en innovativ lösning utformad för att rikta in sig på specifika celler och minimera sådana biverkningar. En strategi för läkemedelstillförsel som stadigt har fått dragkraft involverar en kombination av mikrobubblor och ultraljud.
Mikrobubblor är små gasfyllda bubblor som kan laddas med läkemedel eller andra terapeutiska medel på ytan. När de utsätts för ultraljudsvågor börjar dessa mikrobubblor att oscillera, med de efterföljande vibrationerna som gradvis släpper ut det adsorberade läkemedlet vid den bestrålade platsen. Även om detta fenomen har studerats tidigare, är kvantitativa experiment på hur molekyler desorberar från mikrobubblor vid ultraljudsstrålning få.
I en färsk studie publicerad den 22 augusti 2023 i tidskriften Scientific Reports , ett forskarlag ledd av professor Daisuke Koyama och doktorand Reina Kobayashi från fakulteten för naturvetenskap och teknik vid Doshisha University, Japan, försökte åtgärda denna kunskapslucka.
De designade en innovativ experimentell uppsättning för att analysera desorptionen av ett ytaktivt ämne från individuella mikrobubblor. Deras arbete inkluderade också bidrag från Dr. Marie Pierre Krafft från Institut Charles Sadron (CNRS), University of Strasbourg, Frankrike.
"I en DDS som använder ultraljud och mikrobubblor injiceras mikrobubblor med läkemedel eller gener i blodkärlen så att bubblorna kan adsorberas till målvävnaden specifikt via antigen-antikroppsreaktioner. Vår föreslagna metod och de experimentella resultaten kan förutsäga hur mycket molekyler som desorberas från bubblorna till blodkärlen", förklarar prof. Koyama.
Den föreslagna metoden är baserad på att mäta kontaktvinkeln för enskilda bubblor placerade på en glasskiva med hjälp av en höghastighetsvideokamera. Kontaktvinkeln, eller vinkeln som bildas mellan den fasta och bubbelytan vid deras kontaktpunkt, är nära relaterad till bubblans ytspänning.
Ytspänningen beror i sin tur på mängden ytaktivt ämne (läkemedelsmolekyler) på bubblans yta. Genom att observera kontaktvinkeln för en bubbla under ultraljudsstrålning är det alltså möjligt att uppskatta mängden molekyler som desorberas som ett resultat av de inducerade vibrationerna.
För att testa sin metodik tog teamet fram en experimentell uppsättning som kombinerade en höghastighetskamera med ett långdistansmikroskop, en ultraljudscell fylld med vätska, en tunn, genomskinlig glasplatta och en laserdopplervibrometer (LDV) parad med en CCD kamera.
De placerade försiktigt mikrobubblor bestående av fluorkolberikad gas och en lipid som kallas 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-fosfokolin (DMPC) på glasplattan. Medan höghastighetskameran gav realtidsdata om bubblans kontaktvinkel, gjorde LDV- och CCD-kameran det möjligt för forskningen att övervaka amplituden av de svängningar som inducerades på bubblan såväl som dess radie.
Med hjälp av denna inställning mätte forskarna desorptionsegenskaperna för olika bubbelstorlekar och DMPC-koncentrationer, vilket avslöjade viktiga insikter om processen för ultraljudsinducerad desorption. I synnerhet upptäckte de att mikrobubblor under resonansförhållanden släpper ut betydande mängder adsorberade molekyler (>50 %) i det omgivande mediet mycket snabbt.
De visade också att ultraljudsinducerad desorption är en mycket snabb process, som börjar nästan omedelbart efter ultraljudsstrålning och upphör lika snabbt. Dessutom visade de att mängden molekylär desorption som induceras av ultraljud beror på bubbelstorleken, vilket innebär att vibrationsegenskaperna hos mikrobubblor som används i DDS är viktiga för att kontrollera läkemedelsfrisättningen.
Den föreslagna metoden kan visa sig vara väsentlig vid design och utveckling av DDS:er med hjälp av ultraljud och mikrobubblor. "Mängden läkemedel som släpps ut i blodkärlen hos patienter kan uppskattas kvantitativt med vår metod, vilket innebär att de optimala mängderna läkemedelsbärande mikrobubblor kan förutsägas exakt för vaskulära läkemedelsterapier", tillägger Prof. Koyama. Genom att endast administrera den nödvändiga mängden läkemedel i blodomloppet kan biverkningarna hållas på ett minimum, vilket förbättrar patienternas resultat och livskvalitet.
Forskargruppen planerar att ytterligare utforska kontrollerad läkemedelsfrisättning genom att klargöra förhållandet mellan ultraljudsfrekvensen, ljudtrycksamplituden och mängden molekylär desorption i deras framtida arbete.
Mer information: Reina Kobayashi et al, Kvantitativ uppskattning av fosfolipidmolekyler desorberade från en mikrobubbles yta under ultraljudsstrålning, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-40823-0
Journalinformation: Vetenskapliga rapporter
Tillhandahålls av Doshisha University
