Skoncentrowane ultradźwięki do wewnątrzczaszkowego dostarczania leków
Skoncentrowane ultradźwięki do wewnątrzczaszkowego dostarczania leków to nieinwazyjna technika , która wykorzystuje fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości ( zogniskowane ultradźwięki lub FUS) w celu przerwania ciasnych połączeń w barierze krew-mózg (BBB), umożliwiając zwiększone przenikanie leków do mózgu. BBB zwykle blokuje prawie 98% leków przed dostępem do ośrodkowego układu nerwowego , więc FUS może potencjalnie sprostać głównemu wyzwaniu związanemu z wewnątrzczaszkowym dostarczaniem leków, zapewniając ukierunkowane i odwracalne zakłócenie BBB. Wykorzystanie FUS do zwiększenia dostarczania leków do mózgu może znacznie poprawić wyniki pacjentów w przypadku różnych chorób, w tym choroby Alzheimera , choroby Parkinsona i raka mózgu .
Ultradźwięki są powszechnie stosowane w medycynie do celów obrazowania i diagnostyki. W przypadku FUS zakrzywiony przetwornik , soczewka lub układ fazowy są używane do kierowania fal ultradźwiękowych do określonego miejsca, podobnie jak szkło powiększające może skupiać światło słoneczne w jednym punkcie. Strategia ta koncentruje energię akustyczną na małym obszarze docelowym przy minimalnym wpływie na otaczającą tkankę. W zależności od parametrów akustycznych FUS może być wykorzystany do oddziaływania mechanicznego i/lub termicznego na tkanki docelowe, co czyni go wszechstronnym i obiecującym narzędziem do wielu zastosowań terapeutycznych.
Bariera krew-mózg
BBB jest wysoce wyspecjalizowaną strukturą zbudowaną z komórek śródbłonka , perycytów i wyrostków astrocytów i znajduje się pomiędzy naczyniami włosowatymi mózgu a miąższem mózgu . Komórki śródbłonka tworzą ścisłe połączenia, tworząc półprzepuszczalną błonę , która oddziela krążącą krew od ośrodkowego układu nerwowego . Różne mechanizmy są wykorzystywane do transportu cząsteczek przez BBB. Małe cząsteczki polarne, takie jak glukoza , aminokwasy i nukleozydy , dostają się do mózgu poprzez transport za pośrednictwem nośnika. Małe cząsteczki lipofilowe i cząsteczki gazowe, takie jak tlen i dwutlenek węgla, mogą pasywnie dyfundować przez BBB. Duże cząsteczki, takie jak białka i peptydy, wykorzystują transport endocytarny za pośrednictwem receptora lub absorpcji, aby uzyskać dostęp do mózgu.
BBB ma kluczowe znaczenie dla strukturalnej i funkcjonalnej łączności mózgu i odgrywa ważną rolę w ochronie mózgu przed krążącymi patogenami . Jednak BBB jest również kluczową przeszkodą w śródczaszkowym dostarczaniu leków i znacznie ogranicza wnikanie cząsteczek terapeutycznych do mózgu. Zasadniczo tylko tłuszczach cząsteczki o niskiej masie cząsteczkowej (około ~400 Da) i ładunku dodatnim mogą przekroczyć BBB. Wiele cząsteczek terapeutycznych nie ma tych właściwości i dlatego mają trudności z przedostaniem się do mózgu. Na przykład doksorubicyna , popularny chemioterapeutyk , ma rozmiar ~540 Da, a trastuzumab , przeciwciało monoklonalne , ma rozmiar 148 kDa. Masa cząsteczkowa tych cząsteczek znacznie utrudnia ich zdolność do przechodzenia przez ciasne połączenia obecne w BBB.
Ponieważ BBB ogranicza biodostępność środków terapeutycznych w leczeniu chorób neurologicznych, opracowano wiele strategii obejścia BBB. Czynniki osmotyczne zakłócają BBB, powodując skurcz osmotyczny komórek śródbłonka i tworząc gradient ciśnienia osmotycznego. Jednak ta strategia skutkuje globalnym, a nie lokalnym otwarciem BBB, co może prowadzić do deficytów neurologicznych i drgawek . Zastrzyki wewnątrzczaszkowe mogą być stosowane do bezpośredniego dostarczania leków do określonej części mózgu. Chociaż iniekcje te ograniczają ogólnoustrojową toksyczność i eliminują utratę leku podczas pierwszego przejścia, procedury te są inwazyjne i mogą stanowić dodatkowe ryzyko dla pacjenta. Dostarczanie wzmocnione konwekcją wykorzystuje cewnik wewnątrzczaszkowy do dostarczania leku przez przestrzenie śródmiąższowe ośrodkowego układu nerwowego. Ta strategia jest również dość inwazyjna, ponieważ wymaga wprowadzenia cewnika do mózgu, a dyfuzja leku z końcówki cewnika jest ograniczona. radioterapia zwiększa przepuszczalność BBB, ale charakterystyka czasowa otwarcia wywołanego promieniowaniem jest nieprzewidywalna, a promieniowanie może uszkodzić otaczającą tkankę mózgową, powodując martwicę , demielinizację i gliozę . Skoncentrowane ultradźwięki mogą potencjalnie rozwiązać ograniczenia wynikające z tych strategii, oferując metodę nieinwazyjnego, kontrolowanego czasowo i zlokalizowanego przerwania BBB.
Wspomagane termicznie i kawitacyjnie otwieranie BBB indukowane przez FUS
Wczesne badania, w których badano wykorzystanie FUS do rozrywania BBB, wykorzystywały ultradźwięki do zwiększania przepuszczalności naczyń krwionośnych poprzez zwiększanie temperatury (zwykle do 40-45 ℃) lub tworzenie pęcherzyków gazu ( kawitacja bezwładnościowa ). Chociaż badania te wykazały, że ta metoda może być użyta do otwarcia BBB, zawsze zgłaszano uszkodzenie zdrowej tkanki . W 2004 roku odkryto, że próg termicznego przerwania BBB jest wyższy niż próg uszkodzenia termicznego, co oznacza, że termicznego przerwania BBB nie można przeprowadzić bez uszkodzenia tkanki mózgowej. Niemniej jednak hipertermia ultradźwiękowa może być nadal przydatna do wewnątrzczaszkowego dostarczania leków. Badania in vitro wykazały, że umiarkowana hipertermia ultradźwiękowa (wzrost temperatury ≤ 6℃) zwiększa przepuszczalność komórek śródbłonka dla cząsteczek hydrofobowych . Hipertermię FUS stosowano również z radioterapią w leczeniu pacjentów z guzami mózgu , ponieważ FUS uwrażliwia komórki nowotworowe na promieniowanie poprzez hamowanie naprawy uszkodzeń DNA i zakłócanie szlaku sygnałowego kinazy białkowej B. Badania wykazały również, że FUS można stosować zarówno do termicznej ablacji guzów mózgu, jak i do poprawy dostarczania chemioterapii poprzez odwracalne otwarcie BBB w celu zabicia wszelkich pozostałych komórek złośliwych . Ponieważ jednak termicznego zakłócenia BBB nie można wywołać bez uszkodzenia tkanki, może to nie być przydatne w zastosowaniach niezwiązanych z rakiem, w których zachowanie zdrowej tkanki może być niezbędne.
Kawitacja występuje, gdy pęcherzyki gazu rosną, oscylują i zapadają się w płynie podczas ekspozycji na fale ultradźwiękowe. Istnieją dwa ogólne typy kawitacji: stabilna i inercyjna. Stabilna kawitacja występuje, gdy pęcherzyki gazu oscylują, a oscylacje te utrzymują się przez wiele cykli ciśnienia akustycznego. Oscylacje te poruszają otaczający płyn, generując przepływ wokół pęcherzyka. Ten przepływ jest znany jako mikrostrumieniowanie i może zwiększyć ilość leku przechodzącego przez otwory w ciasnych połączeniach. Kawitacja bezwładnościowa jest zwykle przejściowa i powoduje zapadanie się lub fragmentację pęcherzyków. Niskie ciśnienie akustyczne jest wykorzystywane do wywołania stabilnej kawitacji, podczas gdy wyższe natężenie ultradźwięków prowadzi do kawitacji bezwładnościowej. Zarówno stabilna, jak i bezwładnościowa kawitacja powodują mechaniczne naprężenia ścian naczyń krwionośnych, tymczasowo zakłócając ścisłe połączenia między komórkami śródbłonka. Zwykle odbywa się to poprzez działanie przeciwsobne, w którym ekspansja pęcherzyków oddziela wyściółkę śródbłonka, podczas gdy skurcz pęcherzyków powoduje wgłobienie wyściółki naczyniowej . Przejściowe przerwanie BBB umożliwia transport cząsteczek przez parakomórkę i istnieją dowody na to, że stres fizyczny wywołany na ścianach naczynia przez pęcherzyki gazu powoduje zmiany komórkowe, które dodatkowo wzmacniają transport parakomórkowy i transkomórkowy środków terapeutycznych przez BBB. Jednak to mechaniczne naprężenie może uszkodzić naczynia krwionośne, a przy otwieraniu BBB na ogół unika się kawitacji bezwładnościowej, ponieważ stwarza ona największe ryzyko obrażeń.
Otwarcie BBB wywołane przez FUS za pośrednictwem mikropęcherzyków
Ze względu na kwestie bezpieczeństwa i skuteczności związane z termicznym i kawitacyjnym otwieraniem BBB indukowanym przez FUS, badania skupiły się na wykorzystaniu wstępnie uformowanych mikropęcherzyków w celu dalszego wzmocnienia efektów FUS. Mikropęcherzyki to małe pęcherzyki o średnicy zwykle od 0,5 do 10 mikronów . Rdzeń jest zwykle wypełniony gazem, ale mikropęcherzyki mogą być również wypełnione aktywnym lekiem w celach terapeutycznych. Otoczka mikropęcherzyków zazwyczaj składa się z polimerów , lipidów, białek lub kombinacji tych składników. Ponieważ te mikropęcherzyki są lipofilowe , mogą dyfundować przez BBB. W 2001 r. Hynynen i in. użyli mikropęcherzyków w połączeniu z FUS, aby wywołać otwarcie BBB bez powodowania uszkodzenia tkanki. Wstrzykując mikropęcherzyki do krwi przed sonikacją, odkryli, że intensywność wymagana do przerwania BBB była dwa razy niższa niż intensywność wymagana w przypadku samego FUS. Ponadto odkryli, że BBB został przywrócony 24 godziny po zabiegu FUS. Po tym badaniu kilka grup zgłosiło skuteczne dostarczanie leków doczaszkowych przy użyciu mikropęcherzyków o różnych parametrach FUS. Wielu badaczy stwierdziło, że ciśnienie ultradźwiękowe jest najważniejszym parametrem, który należy zoptymalizować, aby uniknąć uszkodzenia naczyń krwionośnych i otaczającej tkanki mózgowej. Zaobserwowano, że do przejścia leku o masie cząsteczkowej 2000 kDa przez BBB wymagane jest większe ciśnienie ultradźwiękowe w porównaniu z lekiem o masie 70 kDa. Na modelach gryzoni wykazano, że rozerwanie BBB za pomocą mikropęcherzyków jest skuteczne w szerokim zakresie częstotliwości ultradźwięków od 28 kHz do 8 MHz. Podczas gdy częstotliwość powtarzania impulsów ultradźwiękowych nie wpływa znacząco na otwarcie BBB, jeśli częstotliwość impulsów jest zbyt wysoka, mikropęcherzyki nie mogą skutecznie reperfundować obszaru docelowego. Właściwości samych mikropęcherzyków mogą wpływać na skuteczność leczenia. Wraz ze wzrostem wielkości mikropęcherzyków i dawki zwiększa się otwarcie BBB i istnieje większe ryzyko uszkodzenia.
Mikropęcherzyki mogą również służyć jako skuteczne nośniki leków. Leki mogą być przyklejane do powierzchni mikropęcherzyków, kapsułkowane wewnątrz mikropęcherzyków lub osadzone w membranie mikropęcherzyków. Ligandy można również sprzęgać z powierzchnią mikropęcherzyków, aby celować w określone miejsca. Kawitację indukowaną przez FUS można wykorzystać do rozerwania mikropęcherzyków i uwolnienia leku w pobliżu chorego obszaru. Ta metoda zapewnia miejscowe uwalnianie leku przy jednoczesnym ograniczeniu toksyczności poza celem. Wykazano, że wypełnione lekiem mikropęcherzyki z FUS są atrakcyjną terapią skojarzoną w przypadku guzów mózgu. Jedno z badań wykazało, że wyzwalane ultradźwiękami uwalnianie doksorubicyny z obciążonych mikropęcherzyków spowodowało dwukrotny spadek przeżywalności ludzkich komórek glejaka w porównaniu z wolną doksorubicyną lub załadowanymi mikropęcherzykami bez FUS. Inne badanie wykazało, że kapsułkowanie karmustyny w mikropęcherzykach doprowadziło do pięciokrotnego wydłużenia okresu półtrwania w krążeniu i pięciokrotnego zmniejszenia gromadzenia się leku w wątrobie. To badanie wykazało również, że połączenie tych mikropęcherzyków wypełnionych karmustyną z FUS zwiększyło medianę czasu przeżycia o 12% w szczura . Ze względu na obiecujące wyniki zaobserwowane w przypadku wypełnionych lekiem mikropęcherzyków i FUS w leczeniu guza mózgu, metoda ta może mieć również potencjał w leczeniu innych zaburzeń neurologicznych, takich jak choroba Alzheimera i Parkinsona .
Dostarczanie leków i efekty terapeutyczne
FUS do wewnątrzczaszkowego dostarczania leków ma wiele potencjalnych korzyści zarówno w zastosowaniach nowotworowych, jak i nienowotworowych. Poniżej podsumowano przykłady badań, w których wykorzystano FUS do dostarczania leków do mózgu.
| Dostarczane terapeutyczne | Choroba | Aplikacja | Połączyć |
|---|---|---|---|
| Doksorubicyna | Złośliwy glejak | Badanie in vitro FUS z mikropęcherzykami obciążonymi liposomami doksorubicyny w celu zwiększenia wychwytu doksorubicyny przez ludzkie komórki glejaka | |
| Karmustyna | Glejak wielopostaciowy | Ocena skuteczności leczenia mikropęcherzyków obciążonych karmustyną za pomocą FUS w modelu glejaka szczura | |
| Doksorubicyna | Glejak wielopostaciowy | Mikropęcherzyki obciążone doksorubicyną skoniugowane z nanocząstkami tlenku żelaza umożliwiające celowanie magnetyczne w modelu glejaka szczura | |
| Karmustyna | Glejak wielopostaciowy | Mikropęcherzyki wypełnione karmustyną z FUS w celu uzyskania stabilnej kawitacji i zmniejszenia ryzyka krwotoku śródczaszkowego u szczurów z nowotworem | |
| Doksorubicyna | Glejak wielopostaciowy | Pulsujące FUS i obciążone doksorubicyną liposomy skoniugowane z ludzkim peptydem-1 specyficznym dla płytki miażdżycowej w celu zwiększenia dostarczania leku do guzów u myszy | |
| Ligand 1 skierowany przeciwko zaprogramowanej śmierci komórkowej (aPD-L1) | Glejak pnia mózgu | FUS i wstrzyknięty donosowo aPD-L1 (inhibitor immunologicznego punktu kontrolnego) w celu przekroczenia BBB i zwiększenia dostarczania do pnia mózgu myszy | |
| Trastuzumab | Her2-dodatnie przerzuty do mózgu | Badanie kliniczne demonstrujące zastosowanie FUS w celu uzyskania ukierunkowanego dostarczania przeciwciała monoklonalnego do mózgu | |
| Paklitaksel | Glejak wielopostaciowy | Liposomy pakliksatelu, mikropęcherzyki i FUS w celu poprawy skuteczności chemioterapii u myszy z glejakiem | |
| Doksorubicyna | Rozlany wewnętrzny glejak mostu (DIPG) | FUS następował po ogólnoustrojowym podaniu doksorubicyny w celu zwiększenia dostarczania wewnątrzczaszkowego w mysim modelu DIPG | |
| Epirubicyna | Glejak wielopostaciowy | Magnetyczne nanocząsteczki skoniugowane z epirubicyną z FUS do leczenia guza mózgu w modelu szczurzym | |
| Neurotroficzny czynnik pochodzenia mózgowego (BDNF) | Choroba Parkinsona (PD) | Donosowe podawanie BDNF wzmocnione przez FUS w celu poprawy funkcji motorycznych w modelu myszy z PD | |
| Paklitaksel | Glejak wielopostaciowy | Badanie in vivo porównujące paklitaksel rozpuszczony w cremoforze i paklitaksel związany z albuminą w celu zwiększenia stężenia leku u myszy z nowotworem po podaniu FUS i mikropęcherzyków | |
| Cisplatyna | Złośliwy glejak | FUS i PEGylowane nanocząsteczki penetrujące mózg wypełnione cisplatyną w celu zmniejszenia inwazyjności guza i wzrostu w modelu glejaka szczura | |
| Bewacyzumab | Glejak wielopostaciowy | FUS w obecności mikropęcherzyków w celu zwiększenia penetracji bewacyzumabu do OUN myszy z glejakiem | |
| Przeciwciała anty-amyloid-beta | Choroba Alzheimera (AD) | FUS zwiększał przepuszczalność BBB dla przeciwciał anty-Aβ i zmniejszał patologię płytki nazębnej w mysim modelu AD |
Wyzwania i przyszłe kierunki
Chociaż FUS ma wiele potencjalnych zalet w dostarczaniu leków wewnątrzczaszkowych, istnieje kilka ograniczeń. Niejednorodność właściwości akustycznych czaszki prowadzi do zniekształceń i tłumienia ultradźwięków. Struktury wewnątrzczaszkowe, takie jak istota szara i biała oraz gęste naczynia krwionośne , również różnią się między pacjentami, więc każda osoba może mieć unikalny próg otwarcia BBB. W celu rozwiązania tego problemu może być konieczne zastosowanie zestawów ultrasonograficznych dostosowanych do pacjenta. Po zabiegu pacjentom podaje się środki kontrastowe MRI w celu pomiaru otwarcia BBB, dlatego obecnie nie ma metody śródoperacyjnego monitorowania przerwania BBB. W przypadku strategii wykorzystujących prowadzenie rezonansu magnetycznego konieczność usunięcia włosów przed zabiegiem, znaczny czas operacji i zastosowanie ramy stereotaktycznej mogą ograniczyć powszechne stosowanie FUS do wewnątrzczaszkowego dostarczania leków. Protokoły leczenia i schematy dawkowania dla wielu cząsteczek terapeutycznych nadal wymagają lepszego zrozumienia, aby zapewnić ograniczenie toksyczności poza celem. Wreszcie, wiele badań nad FUS do wewnątrzczaszkowego dostarczania leków wykorzystuje zwierzęta ze zdrowymi BBB, ale kilka chorób neurologicznych rozkłada BBB, więc obecne modele zwierzęce mogą nie być zbyt reprezentatywne.
Mimo ograniczeń FUS jest obiecującym narzędziem usprawniającym leczenie wielu schorzeń. FUS jest obecnie badany w celu ułatwienia genów wewnątrzczaszkowych w leczeniu choroby Alzheimera. Podobne podejście jest również badane w przypadku choroby Parkinsona. Zdolność do przerwania BBB może również umożliwić dostarczanie środków terapeutycznych do kory ruchowej w celu leczenia stwardnienia zanikowego bocznego . Mogą być również zastosowania FUS zarówno do neuromodulacji , jak i celowanego dostarczania leków w padaczce , chorobie Alzheimera , chorobie Parkinsona , depresji i urazowym uszkodzeniu mózgu . W przyszłości wysiłki badawcze będą koncentrować się na stawianiu czoła wyzwaniom i ograniczeniom FUS w celu opracowania bezpiecznych i skutecznych terapii dla najtrudniejszych schorzeń mózgu.