Kemoterapi som behandling för cancer är en av 1900-talets största medicinska framgångshistorier, men den är långt ifrån perfekt. Alla som har gått igenom kemoterapi eller som har fått en vän eller älskad att gå igenom det kommer att känna till dess många biverkningar:håravfall, illamående, försvagat immunförsvar och till och med infertilitet och nervskador.

Detta beror på att kemoterapiläkemedel är giftiga. De är avsedda att döda cancerceller genom att förgifta dem, men eftersom cancerceller härrör från friska celler och i stort sett liknar dem, är det svårt att skapa ett läkemedel som dödar dem utan att också skada frisk vävnad.

Men nu har ett par Caltech-forskarteam skapat en helt ny typ av läkemedelsleveranssystem, ett som de säger äntligen kan ge läkare möjligheten att behandla cancer på ett mer riktat sätt. Systemet använder läkemedel som aktiveras av ultraljud – och bara precis där de behövs i kroppen.

Systemet utvecklades i labbet av Maxwell Robb, biträdande professor i kemi, och Mikhail Shapiro, Max Delbrück professor i kemiteknik och medicinsk teknik och utredare vid Howard Hughes Medical Institute.

I en artikel som visas i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , visar forskarna hur de kombinerade element från var och en av deras specialiteter för att skapa plattformen. Uppsatsen har titeln "Fjärrkontroll av mekanokemiska reaktioner under fysiologiska förhållanden med hjälp av biokompatibelt fokuserat ultraljud."

I samarbete gifte de två forskarlagen sig med gasvesiklar (luftfyllda kapslar av protein som finns i vissa bakterier) och mekanoforer (molekyler som genomgår en kemisk förändring när de utsätts för fysisk kraft). Shapiros labb har tidigare använt gasvesiklar i samband med ultraljud för att avbilda enskilda celler och exakt flytta runt celler.

Robbs labb har å sin sida skapat mekanoforer som ändrar färg när de sträcks, vilket gör dem användbara för att upptäcka påfrestningar i strukturer, och andra mekanoforer som kan frigöra en mindre molekyl, inklusive ett läkemedel, som svar på en mekanisk stimulans. För det nya arbetet utarbetade de ett sätt att använda ultraljudsvågor som stimulans.

"Vi har tänkt på det här väldigt länge", säger Robb. "Det började när jag först kom till Caltech och Mikhail och jag började prata om de mekaniska effekterna av ultraljud."

När de började forska om kombinationen av mekanoforer och ultraljud upptäckte de ett problem:Ultraljud kunde aktivera mekanoforerna, men bara med en intensitet så stark att det också skadade närliggande vävnader. Vad forskarna behövde var ett sätt att fokusera energin från ultraljudet precis där de ville ha den. Det visade sig att Shapiros gasvesikelteknik gav lösningen.

I sitt tidigare arbete använde Shapiro sig av vesiklarnas tendens att vibrera eller "ringa" som en klocka när de bombarderas med ultraljudsvågor. I den aktuella forskningen är dock vesiklerna ringade så hårt att de går sönder, vilket fokuserar ultraljudsenergin. Vesiklerna blir effektivt små bomber vars explosioner aktiverar mekanoforen.

"Att applicera kraft genom ultraljud är vanligtvis beroende av mycket intensiva förhållanden som utlöser implosionen av små upplösta gasbubblor", säger Molly McFadden, Ph.D., medförfattare till studien. "Deras kollaps är källan till mekanisk kraft som aktiverar mekanoforen. Vesiklerna har ökad känslighet för ultraljud. Genom att använda dem fann vi att samma mekanoforaktivering kan uppnås under mycket svagare ultraljud."

Yuxing Yao, en postdoktor vid Shapiros labb, säger att detta är första gången som fokuserat ultraljud har kunnat kontrollera en specifik kemisk reaktion i en biologisk miljö.

"Tidigare har ultraljud använts för att störa saker eller flytta saker," säger Yao. "Men nu öppnar den den här nya vägen för oss genom att använda mekanokemi."

Hittills har plattformen endast testats under kontrollerade laboratorieförhållanden, men i framtiden planerar forskarna att testa den i levande organismer.

Mer information: Yuxing Yao et al, Fjärrkontroll av mekanokemiska reaktioner under fysiologiska förhållanden med biokompatibelt fokuserat ultraljud, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2309822120. www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2309822120

Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences

Tillhandahålls av California Institute of Technology