Guzy mózgu, krwotoki mózgowe oraz schorzenia neurologiczne i psychiczne są często trudne do leczenia farmakologicznego. Nawet jeśli dostępne są skuteczne leki, zwykle mają one poważne skutki uboczne, ponieważ krążą po całym mózgu, a nie tylko w obszarze, który mają leczyć. W świetle tej sytuacji badacze pokładają duże nadzieje, że pewnego dnia będą w stanie zapewnić bardziej ukierunkowane podejście, które umożliwiłoby dostarczanie leków do ściśle określonych lokalizacji. W tym celu trwają prace nad minitransporterami, które można będzie prowadzić przez gęsty labirynt naczyń krwionośnych.
Naukowcom z ETH Zurich, Uniwersytetu w Zurychu i Szpitala Uniwersyteckiego w Zurychu udało się po raz pierwszy przeprowadzić mikropojazdy przez naczynia krwionośne w mózgu zwierzęcia za pomocą ultradźwięków.
Ultradźwięki zamiast magnetyzmu
W porównaniu z alternatywnymi technologiami nawigacji, takimi jak te oparte na polach magnetycznych, ultradźwięki oferują pewne korzyści. Daniel Ahmed, profesor robotyki akustycznej w ETH Zurich i kierownik badania, wyjaśnia: „Udźwiękowienie jest nie tylko szeroko stosowane w medycynie, ale jest bezpieczne i wnika głęboko w organizm”.
W swoim mikropojeździe Ahmed i jego współpracownicy wykorzystali wypełnione gazem mikropęcherzyki pokryte lipidami – tymi samymi substancjami, z których zbudowane są biologiczne błony komórkowe. Pęcherzyki mają średnicę 1,5 mikrometra i są obecnie stosowane jako materiał kontrastowy w obrazowaniu ultradźwiękowym.
Jak wykazali obecnie naukowcy, mikropęcherzyki te można prowadzić przez naczynia krwionośne. „Ponieważ te bąbelki, czyli pęcherzyki, zostały już zatwierdzone do stosowania u ludzi, prawdopodobne jest, że nasza technologia zostanie zatwierdzona i zastosowana w leczeniu ludzi szybciej niż inne typy mikropojazdów obecnie opracowywanych” – mówi Ahmed. Otrzymał Starting Grant przyznany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych ERC w 2019 r. za projekt dotyczący badań i rozwoju tej technologii.
Kolejną zaletą mikropęcherzyków pod kontrolą ultradźwięków jest to, że po wykonaniu swojej pracy rozpuszczają się w organizmie. Stosując inne podejście, czyli pola magnetyczne, mikropojazdy muszą być magnetyczne, a opracowanie mikropojazdów ulegających biodegradacji nie jest łatwe. Co więcej, mikropęcherzyki opracowane przez badaczy z ETH Zurich są małe i gładkie. „To ułatwia nam prowadzenie ich wzdłuż wąskich naczyń włosowatych” – mówi Alexia Del Campo Fonseca, doktorantka w grupie Ahmeda i główna autorka badania.
Iść pod prąd
Przez ostatnie kilka lat Ahmed i jego grupa pracowali w laboratorium nad opracowaniem metody prowadzenia mikropęcherzyków przez wąskie naczynia. Teraz we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu w Zurychu i Szpitala Uniwersyteckiego w Zurychu przetestowali tę metodę na naczyniach krwionośnych w mózgach myszy. Naukowcy wstrzyknęli bąbelki do układu krążenia gryzoni, gdzie są one rozprowadzane w krwiobiegu bez żadnej pomocy z zewnątrz. Jednak naukowcom udało się użyć ultradźwięków do utrzymania pęcherzyków w miejscu i poprowadzenia ich przez naczynia mózgowe w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu krwi. Naukowcom udało się nawet poprowadzić pęcherzyki przez zawiłe naczynia krwionośne lub zmusić je do wielokrotnej zmiany kierunku, aby skierować je do najwęższych gałęzi krwiobiegu.
Aby kontrolować ruchy mikropojazdów, badacze przymocowali także cztery małe przetworniki na zewnątrz czaszki każdej myszy. Urządzenia te generują wibracje w zakresie ultradźwiękowym, które rozchodzą się po mózgu w postaci fal. W pewnych punktach mózgu fale emitowane przez dwa lub więcej przetworników mogą się wzajemnie wzmacniać lub znosić. Naukowcy prowadzą bąbelki, stosując wyrafinowaną metodę regulacji mocy wyjściowej każdego pojedynczego przetwornika. Obrazowanie w czasie rzeczywistym pokazuje im, w jakim kierunku poruszają się bąbelki.
Aby stworzyć obrazowanie na potrzeby tego badania, naukowcy wykorzystali mikroskopię dwufotonową. W przyszłości chcą także wykorzystywać samą ultrasonografię do obrazowania i planują udoskonalać w tym celu technologię ultradźwiękową.
W tym badaniu mikropęcherzyki nie były wyposażone w leki. Naukowcy chcieli najpierw wykazać, że mogą prowadzić mikropojazdy wzdłuż naczyń krwionośnych i że technologia ta nadaje się do zastosowania w mózgu. To właśnie tam znajdują obiecujące zastosowania medyczne, m.in. w leczeniu raka, udaru mózgu i schorzeń psychicznych. Następnym krokiem badaczy będzie przyczepienie cząsteczek leku do zewnętrznej strony osłonki bańki w celu transportu. Chcą ulepszyć całą metodę do poziomu, w którym będzie można ją zastosować u ludzi, mając nadzieję, że pewnego dnia stanie się podstawą do opracowania nowych metod leczenia.