Новый биоразлагаемый ультразвук, гораздо более мощный, чем предыдущие устройства, может сделать рак мозга более поддающимся лечению, сообщают исследователи Университета Коннектикута в выпуске журнала Science Advances от 14 июня.
По данным Американского онкологического общества, рак мозга ежегодно поражает более 24 000 человек в США, и более 18 000 американцев умрут от одного из них в 2023 году.
Когда у кого-то диагностируют раковую опухоль головного мозга, ее обычно удаляют хирургическим путем, а затем используют химиотерапию для удаления оставшихся раковых клеток. Но рак головного мозга особенно устойчив к химиотерапии, потому что оболочка кровеносных сосудов препятствует прохождению крупных молекул, которые потенциально могут нанести вред мозгу.
Они также не позволяют полезным химиопрепаратам и другим терапевтическим средствам убивать раковые клетки головного мозга и лечить другие заболевания головного мозга. Один из безопасных и эффективных способов преодоления гематоэнцефалического барьера, как известно, состоит в том, чтобы использовать ультразвук , чтобы расшевелить клетки настолько, чтобы открыть поры, достаточно большие, чтобы позволить лекарству пройти через них.
Но получить ультразвук через толстый человеческий череп непросто. Как правило, несколько мощных ультразвуковых устройств должны быть стратегически размещены вокруг черепа и тщательно сфокусированы на месте опухоли с помощью аппарата МРТ сразу после проведения химиотерапии в больнице.
Процесс занимает пять или шесть часов, а мощный ультразвук может повредить ткани. Это редко делается более одного раза, хотя большинство пациентов с агрессивным раком головного мозга получают химиотерапию в течение нескольких месяцев. Применение ультразвука каждый раз, когда пациент получал химиотерапию, было бы намного эффективнее. Но поскольку процесс МРТ-УЗИ очень громоздкий, его редко проводят.
«Мы можем избежать всего этого, используя имплантированное устройство» внутри самого мозга, — говорит инженер-биомедик Тхань Нгуен. «Мы можем многократно использовать его, позволяя химиопрепаратам проникать в мозг и убивать опухолевые клетки». В продаже уже имеется имплантируемое ультразвуковое устройство, но оно сделано из керамических материалов , которые потенциально токсичны и должны быть удалены хирургическим путем после завершения лечения.
Лаборатория Нгуена специализируется на биоразлагаемых пьезоэлектрических полимерах. Пьезоэлектрический означает, что материал вибрирует, когда через него проходит небольшой электрический ток. Ранее они сконструировали безопасный биоразлагаемый пьезоэлектрический ультразвуковой имплантат мозга, но он не был таким мощным, как традиционная пьезоэлектрическая керамика. Таким образом, лаборатория Nguyen с аспирантами Thinh T. Le и Meysam Chorsi, которых совместно консультируют профессор инженерии Horea Ilies и декан инженеров Kazem Kazerounian, вместе с постдоком Feng Lin, использовали совершенно новую технику для производства биоразлагаемого полимерного ультразвука, точно так же, как мощные, как те, что сделаны из керамики.
Команда хотела использовать кристаллы глицина, аминокислоты, которая является распространенным белком в организме и недавно была обнаружена как сильно пьезоэлектрическая. Глицин безопасен и биоразлагаем, но слишком сильно; он быстро растворяется в воде. Пьезоэлектрические кристаллы глицина также хрупкие и легко разрушаются, что делает обращение с материалом и изготовление из него полезного ультразвукового устройства чрезвычайно сложным.
Исследователи нашли новое решение. Они вырастили кристаллы глицина, а затем намеренно разбили их на кусочки размером всего в несколько сотен нанометров. Затем они пряли их (под высоким напряжением в процессе, называемом электроформованием) с поликапролактоном (PCL), биоразлагаемым полимером, для изготовления пьезоэлектрических пленок, состоящих из нановолокон глицина и PCL.
При небольшом управляющем напряжении (~ 0,15 В среднеквадратичного значения) пленка может генерировать ультразвук мощностью 334 кПа, что примерно соответствует керамическому ультразвуковому мозговому имплантату. Команда покрывает пленку глицин-ПКЛ другими биоразлагаемыми полимерами, чтобы защитить ее. Поли-L-лактид (PLLA), одно из возможных покрытий, разрушается примерно за шесть недель.
Исследователи протестировали устройство на мышах с раком головного мозга. Они лечили мышей PTX (паклитакселом), мощным химиотерапевтическим химическим веществом, которое эффективно против рака мозга, но с трудом преодолевает гематоэнцефалический барьер. Ультразвук глицин-PCL успешно позволил PTX обойти гематоэнцефалический барьер — опухоли уменьшились, а лечение удвоило продолжительность жизни мышей с раком головного мозга по сравнению с теми мышами, которые не получали лечения.
Комбинированное лечение глицином-PCL ультразвуком + PTX также было намного более эффективным для мышей, чем лечение только PTX или PTX и ультразвуком с помощью оригинальной, менее мощной версии биоразлагаемого ультразвукового устройства лаборатории Nguyen на основе PLLA.
В дополнение к вышеупомянутой терапевтической эффективности команда уже провела шестимесячную проверку безопасности устройства, имплантированного в мозг, и обнаружила, что оно не оказывает неблагоприятного воздействия на здоровье мышей. Теперь они начнут тестировать безопасность и эффективность на крупных животных.
Теги: МРТ, полимеры
