Ultraschallstrahl löst „Nanotröpfchen“ aus, um Medikamente genau an die richtige Stelle zu bringen

Die herkömmliche Verabreichung von Medikamenten ähnelt oft dem Knacken einer Walnuss mit einem Hammer. Unabhängig davon, ob das Medikament geschluckt, injiziert, inhaliert oder über die Haut aufgenommen wird, breitet es sich schließlich in den meisten Teilen des Körpers aus, auch dort, wo es nicht benötigt wird oder wo es sogar Schaden anrichten könnte.

Was wäre, wenn die Lieferung genau an den richtigen Ort erfolgen könnte? Dies würde die Gesamtdosis deutlich reduzieren und dadurch Nebenwirkungen minimieren.

Jetzt haben amerikanische Wissenschaftler einen Weg gefunden, eine vielversprechende, aufstrebende Methode zu perfektionieren, die genau das leistet. Mit ihrem neuen Protokoll wird die Methode erstmals sowohl sicher als auch wirksam und ebnet hoffentlich den Weg für erste Versuche am Menschen. Die Ergebnisse werden veröffentlicht in Grenzen der molekularen Biowissenschaften.

„Hier zeigen wir eine Methode zur Abgabe von Medikamenten an bestimmte Bereiche des Körpers, wo sie benötigt werden. Wir tun dies mithilfe von Ultraschallwellen, die die Freisetzung von Medikamenten aus zirkulierenden Nanoträgern auslösen, wenn sie auf das Ziel fokussiert werden“, sagte Matthew G. Wilson, wissenschaftlicher Mitarbeiter. an der University of Utah und Erstautor der Studie. „Wir haben eine Methode entwickelt, um stabile Nanoträger reproduzierbar herzustellen und Ultraschallparameter identifiziert, die sie aktivieren können.“

Nanotechnisch hergestellte Tröpfchen

Nanoträger sind winzige Tröpfchen mit einem Durchmesser zwischen 470 und 550 Nanometern und einer hohlen Außenhülle aus Polymermolekülen. Diese Polymere haben zwei unterschiedliche Enden: ein hydrophiles Ende, das sich gut mit wässrigen Lösungen wie Blut vermischt und nach außen zeigt, und ein hydrophobes Ende, das sich nicht mit Wasser vermischt und nach innen zeigt.

In der Hülle befindet sich ein innerer Kern aus hydrophoben Perfluorkohlenstoffen, Molekülen, die hauptsächlich aus Fluor und Kohlenstoff bestehen und mit einem interessierenden Wirkstoff vermischt sind, der ebenfalls hydrophob ist. Die Hüllen halten die Kerne getrennt und verhindern so, dass sie zu einem einzigen Tröpfchen verschmelzen, und bilden eine Barriere gegen das Immunsystem. Die Wirkung ist der von Mayonnaise sehr ähnlich, bei der die Proteine ​​in den Eiern verkapselte Öltröpfchen bilden, in denen sich Öl und Wasser sonst vollständig trennen würden.

Um das Medikament freizusetzen, senden die Forscher einen Ultraschall – eine Schallwelle, deren Frequenz die Obergrenze des menschlichen Hörvermögens überschreitet – von 300 oder 900 Kilohertz aus. Der Ultraschallstrahl kann in drei Dimensionen gerichtet werden, um ihn auf einen gewünschten Bereich des Körpers zu fokussieren, der nur wenige Millimeter im Durchmesser ist.

Es wird angenommen, dass Ultraschall dazu führt, dass sich die Perfluorkohlenwasserstoffe ausdehnen, wodurch die Tröpfchenhülle gedehnt wird und sie für das Medikament durchlässiger wird, das dann zu den Organen, Geweben oder Zellen diffundiert, wo es benötigt wird.

Die Forscher verglichen die Wirksamkeit der Verabreichung eines repräsentativen Arzneimittels – des Anästhetikums und Beruhigungsmittels Propofol – zwischen drei verschiedenen Perfluorkohlenstoffen, Perfluorpentan (PFP), Decafluorpentan (DFP) und Perfluoroctylbromid (PFOB). Den Nanotröpfchen wurde in vitro Ultraschall in 60 Impulsen von 100 Millisekunden über eine Minute hinweg zugeführt.

Den Siedepunkt erreichen

Die Ergebnisse zeigten, dass das Gleichgewicht zwischen Nanotröpfchenstabilität und Abgabeeffizienz für PFOB-Kerne optimal war.

„Frühere Studien konzentrierten sich auf Perfluorkohlenstoffe mit einem niedrigen Siedepunkt, typischerweise unter der menschlichen Körpertemperatur. Wir fanden heraus, dass Tröpfchen mit einem PFOB-Kern, dessen Siedepunkt bei 142 °C liegt, über die Zeit viel stabiler sind“, erklärte Wilson.

„Trotz seines hohen Siedepunkts kann PFOB eine ähnliche Wirkstofffreisetzung erreichen, wenn niederfrequenter Ultraschall von 300 Kilohertz angewendet wird. Die Ultraschallfrequenz erwies sich in unserer Studie als entscheidender Faktor.“

Um die Sicherheit zu testen, injizierten die Forscher einem einzelnen Langschwanzmakaken sechs Dosen PFOB-basierter Nanotröpfchen in Abständen von einer Woche und überwachten Veränderungen in einer Reihe von Blutbiomarkern für Leber, Niere und Nierenfunktion. Dieses Experiment, das vom Institutional Animal Care and Use Committee der University of Utah genehmigt worden war, zeigte, dass die Nanotröpfchen gut vertragen wurden und keine erkennbaren Nebenwirkungen auftraten. Diese Experimente sollten in Mikrodosierungs- oder Phase-I-Studien an freiwilligen Probanden wiederholt werden.

Die Autoren veröffentlichten außerdem ihr Nanotröpfchen-Produktionsprotokoll als Open Science, sodass andere Forschungsgruppen direkt aus ihren Erkenntnissen lernen können.

„Die von uns entwickelte Methode kann je nach verwendetem Medikament auf verschiedene Erkrankungen angewendet werden. Für psychiatrische Anwendungen könnte die lokalisierte Verabreichung von Propofol als diagnostisches Instrument zur Identifizierung von Gehirnregionen verwendet werden, die ursächlich an Störungen von Ketamin beteiligt sind „Die Verabreichung könnte eine wirksame Methode zur Neuverdrahtung neuronaler Schaltkreise sein“, schlussfolgerte Wilsons akademischer Betreuer Dr. Jan Kubanek, Assistenzprofessor an der University of Utah und Hauptautor der Studie.