Fysisch onderzoek naar microbellen bevestigt het nut van echografie voor niet-invasieve therapie

Onderzoekers van Skoltech, ITMO University en hun collega’s hebben nieuwe bevindingen gerapporteerd over het gedrag van microbellen die worden blootgesteld aan echografie. De door het team verkregen gegevens zullen het mogelijk maken stabielere en veiligere microbellen te creëren die therapeutische toepassingen zouden kunnen hebben als vehikel voor medicijnafgifte aan de hersenen en gerichte activering van antikankermiddelen, en zouden het mogelijk maken om intense blootstelling aan ultrasoon geluid te beperken, waardoor de bijwerkingen ervan worden vermeden. De studie is gepubliceerd in Acta Biomaterialia.

Bij ultrasone diagnostiek worden microbellen gebruikt om het contrast van het beeld te vergroten en zelfs de kleinste vaatjes zichtbaar te maken. De complexe fysica en chemie die ten grondslag liggen aan het gedrag van microbellen onder blootstelling aan ultrageluid zijn echter niet in detail bestudeerd. Om van echografie een gecontroleerd therapeutisch hulpmiddel te maken, moeten wetenschappers precies begrijpen hoe belletjes ontstaan, pulseren en barsten, en wat de energie van de ‘plop’ bepaalt.

Dit effect is cruciaal voor elke poging om microbellen te gebruiken voor gerichte activering van kankermedicijnen in de tumor (sonodynamische therapie) en de afgifte van farmaceutische middelen aan de hersenen voorbij de bloed-hersenbarrière, een laag dicht opeengepakte cellen die verhindert dat medicijnen die in de bloedbaan circuleren de hersenen binnendringen.

“In plaats van met levend weefsel te werken, wilden we de fysica van de bubbels achterhalen”, zegt de hoofdauteur van het artikel, junior onderzoekswetenschapper Tatiana Estifeeva van Skoltech Photonics. ‘Als we precies weten hoe de belletjes zich in elk stadium gedragen, kunnen we doelbewust stabiele en veilige chemische samenstellingen ontwerpen om alles in de hand te houden, van de toestand van de eiwitmoleculen in de belomhulling tot de effecten op het bloed.

“In de toekomst zouden dergelijke grondig onderzochte bubbels niet alleen voor visualisatie kunnen worden gebruikt, maar ook voor therapieën waarbij echografie wordt gebruikt als een zeer gerichte en milde interventie.”

Het team onderzocht microbellen met een eiwitomhulsel met twee soorten additieven die de stabiliteit verbeteren. Beiden bleken succesvol in het stabiliseren en “pacificeren” van de belletjes, waardoor ervoor werd gezorgd dat het eiwit zijn natuurlijke structuur behoudt en niet verslechtert bij blootstelling aan ultrageluid. Dit is belangrijk, want door een stabiele schil is er minder kans op ongewenste reacties in het lichaam.

“Om de hele levenscyclus van de bellen te volgen, vanaf de geboorte tot het barsten, hebben we ze op video opgenomen en een cavitometer gebruikt. Het is een instrument dat geluidsgolven in een oplossing registreert en het mogelijk maakt om cavitatie te monitoren – de pulsatie van de bellen terwijl hun grootte oscilleert onder blootstelling aan ultrasoon geluid.

“Onze metingen geven aan dat de stabiliserende additieven de cavitatie-intensiteit bijna halveerden, waardoor het proces transformeerde van chaotisch borrelen naar milde pulsatie. Het gedrag van dergelijke bellen kan voorspelbaar en daarom veilig worden gemaakt”, zegt co-auteur Galina Kalinichenko, een masterstudent in het programma “Photonics and Quantum Materials” bij Skoltech.

De wetenschappers onderzochten ook de interactie tussen de microbellen en menselijk bloed. De vorm en mobiliteit van rode bloedcellen werden niet beïnvloed door de belletjes, wat aantoont dat ze de normale bloedstroom niet verstoren en mogelijk veilig zijn voor toediening in het lichaam.

Controle over het gedrag van de bellen in alle stadia, van vorming tot uiteenvallen, vormt de basis voor toekomstige toepassingen in de geneeskunde. De overgang naar gefocusseerd ultrageluid met lage intensiteit zal mogelijk worden zodra onderzoekers de belsamenstelling kunnen verfijnen en de cavitatie-intensiteit kunnen kennen.

De studie toont aan dat het begrijpen van de fysica en chemie van microbellen uiteindelijk hun potentieel voor niet-invasieve behandelingsopties zal ontsluiten. Echografie, voorheen beperkt tot het domein van de diagnostiek, kan een hulpmiddel worden voor uiterst nauwkeurige interventies.