Onthulling van de wetenschap van ultrasone desorptie van microbellen

Het injecteren van medicijnen in de bloedbaan kan vaak ook gezonde weefsels beschadigen. Medicijnafgiftesystemen (DDS’s) zijn een innovatieve oplossing die is ontworpen om zich op specifieke cellen te richten en dergelijke bijwerkingen te minimaliseren. Eén strategie voor medicijnafgifte die gestaag aan kracht wint, omvat een combinatie van microbellen en echografie.

Microbellen zijn kleine, met gas gevulde belletjes die op hun oppervlak gevuld kunnen zijn met medicijnen of andere therapeutische middelen. Wanneer ze worden blootgesteld aan ultrasone golven, beginnen deze microbellen te oscilleren, waarbij de daaropvolgende trillingen het geadsorbeerde medicijn geleidelijk vrijgeven op de bestraalde locatie. Hoewel dit fenomeen in het verleden is bestudeerd, zijn kwantitatieve experimenten over hoe moleculen desorberen uit microbellen bij bestraling met ultrasoon geluid schaars.

In een recente studie gepubliceerd op 22 augustus 2023 in het tijdschrift Wetenschappelijke rapportenprobeerde een onderzoeksteam onder leiding van professor Daisuke Koyama en afgestudeerde studente mevrouw Reina Kobayashi van de Faculteit Wetenschappen en Techniek van de Doshisha Universiteit, Japan, deze kenniskloof aan te pakken.

Ze ontwierpen een innovatieve experimentele opstelling om de desorptie van een oppervlakteactieve stof uit individuele microbellen te analyseren. Hun werk omvatte ook bijdragen van Dr. Marie Pierre Krafft van Institut Charles Sadron (CNRS), Universiteit van Straatsburg, Frankrijk.

“In een DDS waarbij echografie en microbellen worden gebruikt, worden microbellen met medicijnen of genen in de bloedvaten geïnjecteerd, zodat de bellen specifiek aan het doelweefsel kunnen adsorberen via antigeen-antilichaamreacties. Onze voorgestelde methode en de experimentele resultaten kunnen voorspellen hoeveel moleculen worden gedesorbeerd van de belletjes in de bloedvaten”, legt prof. Koyama uit.

De voorgestelde methode is gebaseerd op het meten van de contacthoek van individuele bellen die op een glasplaat zijn geplaatst met behulp van een hogesnelheidsvideocamera. De contacthoek, of de hoek gevormd tussen de vaste stof en de beloppervlakken op hun contactpunt, hangt nauw samen met de oppervlaktespanning van de bel.

De oppervlaktespanning hangt op zijn beurt af van de hoeveelheid oppervlakteactieve stof (geneesmiddelmoleculen) op het oppervlak van de bel. Door de contacthoek van een bel onder ultrasone bestraling te observeren, is het dus mogelijk om de hoeveelheid moleculen te schatten die worden gedesorbeerd als gevolg van de geïnduceerde trillingen.

Om hun methodologie te testen, bedacht het team een ​​experimentele opstelling waarin een hogesnelheidscamera werd gecombineerd met een langeafstandsmicroscoop, een ultrasone cel gevuld met vloeistof, een dunne, transparante glasplaat en een laser-Doppler-vibrometer (LDV) gecombineerd met een CCD. camera.

Ze plaatsten zorgvuldig microbellen bestaande uit met fluorkoolstof verrijkt gas en een lipide genaamd 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-fosfocholine (DMPC) op de glasplaat. Terwijl de hogesnelheidscamera realtime gegevens over de contacthoek van de bel opleverde, konden de onderzoekers met de LDV- en CCD-camera de amplitude van de op de bel geïnduceerde oscillaties en de straal ervan volgen.

Met behulp van deze opstelling maten de onderzoekers de desorptiekarakteristieken voor verschillende belgroottes en DMPC-concentraties, wat belangrijke inzichten onthulde over het proces van door ultrageluid geïnduceerde desorptie. In het bijzonder ontdekten ze dat microbellen onder resonante omstandigheden zeer snel aanzienlijke hoeveelheden geadsorbeerde moleculen (>50%) afgeven aan de omringende media.

Ze toonden ook aan dat door ultrageluid geïnduceerde desorptie een zeer snel proces is, dat vrijwel onmiddellijk begint na bestraling met ultrasoon geluid en net zo snel stopt. Bovendien toonden ze aan dat de hoeveelheid moleculaire desorptie geïnduceerd door ultrasone trillingen afhangt van de belgrootte, wat betekent dat de trillingseigenschappen van microbellen die in DDS’s worden gebruikt belangrijk zijn voor het controleren van de geneesmiddelafgifte.

De voorgestelde methode zou essentieel kunnen blijken bij het ontwerp en de ontwikkeling van DDS’s met behulp van echografie en microbellen. “De hoeveelheden geneesmiddel die bij patiënten in de bloedvaten vrijkomen, kunnen met behulp van onze methode kwantitatief worden geschat, wat betekent dat de optimale hoeveelheden geneesmiddeldragende microbellen nauwkeurig kunnen worden voorspeld voor vasculaire geneesmiddeltherapieën”, voegt prof. Koyama toe. Door alleen de benodigde hoeveelheid geneesmiddel in de bloedbaan toe te dienen, kunnen de bijwerkingen tot een minimum worden beperkt, waardoor de resultaten voor de patiënt en de kwaliteit van leven worden verbeterd.

Het onderzoeksteam is van plan de gecontroleerde afgifte van geneesmiddelen verder te onderzoeken door de relatie tussen de ultrasone frequentie, de amplitude van de geluidsdruk en de hoeveelheid moleculaire desorptie in hun toekomstige werk te verduidelijken.