Исследование физики микропузырьков подтверждает перспективность ультразвука для неинвазивной терапии
Учёные из Сколтеха, Университета ИТМО и их коллеги сообщили о новых данных о поведении микропузырьков под воздействием ультразвука. Полученные результаты позволят создавать более стабильные и безопасные микропузырьки, которые могут найти терапевтическое применение как средства доставки лекарств в мозг и целевой активации противораковых агентов, а также помогут ограничить интенсивное ультразвуковое воздействие, избегая его побочных эффектов. Исследование опубликовано в Acta Biomaterialia.
Микропузырьки используются в ультразвуковой диагностике для повышения контрастности изображения. Однако сложная физика и химия, лежащие в основе поведения микропузырьков под ультразвуком, до сих пор не были детально изучены. Чтобы сделать ультразвук контролируемым терапевтическим инструментом, необходимо точно понимать, как пузырьки образуются, пульсируют и лопаются, и что определяет энергию их «схлопывания».
Этот эффект критически важен для любых попыток использовать микропузырьки для целевой активации противораковых препаратов в опухоли (сонадинамическая терапия) и доставки лекарств в мозг через гематоэнцефалический барьер.
«Мы стремились разобраться в физике пузырьков, а не работать с живой тканью, — сказала ведущий автор статьи, младший научный сотрудник Сколтеха Татьяна Естифеева. — Когда мы точно знаем, как ведут себя пузырьки на каждом этапе, мы можем целенаправленно разрабатывать стабильные и безопасные химические составы, чтобы контролировать всё — от состояния белковых молекул в оболочке пузырька до воздействия на кровь».
Команда исследовала микропузырьки с белковой оболочкой с двумя типами добавок, повышающих стабильность. Оба типа успешно стабилизировали и «успокаивали» пузырьки, обеспечивая сохранение естественной структуры белка и предотвращая его разрушение под ультразвуком. Это важно, поскольку стабильная оболочка означает меньший риск нежелательных реакций в организме.
«Чтобы проследить весь жизненный цикл пузырьков, от рождения до схлопывания, мы записывали их на видео и использовали кавитометр. Этот прибор регистрирует звуковые волны в растворе и позволяет отслеживать кавитацию — пульсацию пузырьков, когда их размер колеблется под воздействием ультразвука. Наши измерения показывают, что стабилизирующие добавки почти вдвое снизили интенсивность кавитации, превратив процесс из хаотичного кипения в мягкую пульсацию. Поведение таких пузырьков можно сделать предсказуемым и, следовательно, безопасным», — сообщила соавтор исследования, магистрант Сколтеха Галина Калиниченко.
Учёные также изучили взаимодействие микропузырьков с человеческой кровью. Форма и подвижность эритроцитов не пострадали от пузырьков, что показывает, что они не нарушают нормальный ток крови и потенциально безопасны для введения в организм.
Контроль над поведением пузырьков на всех этапах — от формирования до разрушения — создаёт основу для их будущего применения в медицине. Переход к сфокусированному низкоинтенсивному ультразвуку станет возможным, когда исследователи смогут точно настраивать состав пузырьков и знать интенсивность кавитации.
Исследование демонстрирует, что понимание физики и химии микропузырьков в конечном итоге раскроет их потенциал для неинвазивных методов лечения. Ультразвук, ранее ограниченный областью диагностики, может стать инструментом для высокоточных вмешательств.