חוקרי ETH ציריך בדקו כיצד בועות גז זעירות יכולות לספק תרופות לתאים באופן ממוקד באמצעות אולטרסאונד. לראשונה הם דמיינו כיצד מטוסי נוזלים זעירים שנוצרו על ידי מיקרו -בובלים חודרים לקרום התא המאפשר את ספיגת התרופה.
הטיפול הממוקד במחלות מוח כמו אלצהיימר, גידולים של פרקינסון או מוח הוא מאתגר מכיוון שהמוח הוא איבר רגיש במיוחד המוגן היטב. זו הסיבה שהחוקרים עובדים על דרכי העברת תרופות למוח בדיוק, דרך זרם הדם. המטרה היא להתגבר על מחסום הדם-מוח, שבדרך כלל מאפשר רק לחומרים מזינים וחמצן מסוים לעבור דרכם.
מיקרו -בובלים המגיבים לאולטרסאונד הם שיטה מבטיחה במיוחד לטיפול מסוג זה. מיקרו -בובלים אלה קטנים מתאי דם אדומים, מלאים בגז והם מורכבים מציפוי מיוחד של מולקולות שומן לייצובן. הם מוזרקים לזרם הדם יחד עם התרופה ואז מופעלים באתר היעד באמצעות אולטרסאונד. תנועת הפעולה של המיקרו -בובלים יוצרת נקבוביות קטנטנות בקרום התא של דופן כלי הדם שהתרופה יכולה לעבור דרכה.
איך בדיוק מיקרו -בובלים יוצרים נקבוביות אלה לא היה ברור בעבר. כעת, קבוצה של חוקרי ETH, בהובלת אאטי סופונן, פרופסור במכון לדינמיקה נוזלית, הצליחו להפגין לראשונה כיצד פועל מנגנון זה. "הצלחנו להראות שתחת אולטרסאונד, פני השטח של המיקרו-בובלים מאבדים את צורתם, וכתוצאה מכך מטוסי נוזלים קטנטנים, מה שנקרא מיקרוג'טים, החודרים לקרום התא" המחקר שפורסם לאחרונה ב פיזיקה טבעית.
הכוח הבלתי נראה: מיקרו -ג'ט נוזלי במהירות 200 קמ"ש
עד כה, איש לא ידע כיצד נוצרו הנקבוביות בקרום התא מכיוון שהמיקרו -בובלים מודדים רק כמה מיקרומטרות לרחוב עד כמה מיליוני פעמים בשנייה תחת אולטרסאונד. זהו תהליך שקשה מאוד לצפות בהן ואשר דורש מערך מיוחד במעבדה. "עד כה, רוב המחקרים בדקו את התהליך מלמעלה דרך מיקרוסקופ קונבנציונאלי. אבל כשאתה עושה את זה, אתה לא יכול לראות מה קורה בין המיקרובבל לתא", אומר קטאנאו. לפיכך, החוקרים בנו מיקרוסקופ עם הגדלה של 200X, המאפשר להם להתבונן בתהליך מהצד, וחיברו אותו למצלמה מהירה שיכולה לתפוס עד עשרה מיליון תמונות בשנייה.
לצורך הניסוי שלהם הם חיקו את דופן כלי הדם באמצעות מודל בתוך גופיה, וגדלו תאי אנדותל על קרום פלסטיק. הם הניחו קרום זה על קופסה עם קירות שקופים מלאים בתמיסת מלח ותרופת מודל, כאשר התאים פונים כלפי מטה כמו מכסה. המיקרו-בובל המלא בגז עלה לפסגה באופן אוטומטי ויצר קשר עם התאים. לאחר מכן הוגדרו המיקרו-בוביות ברטט על ידי דופק באולטרסאונד באורך מיקרו-שניות.
בלחץ אולטרסאונד גבוה מספיק, מיקרו-בובלים מפסיקים להתנדנד בצורה כדורית ומתחילים לעצב את עצמם מחדש לדפוסים רגילים ולא כדוריים. "
Outi Supponen, פרופסור, המכון לדינמיקת נוזלים
"האונות" של התבניות הללו מתנדנדות באופן מחזורי, דוחפות פנימה והחוצה. החוקרים גילו כי מעל לחץ אולטראסאונד מסוים, האונות המקופלות כלפי פנים יכולות להיות שקועות כל כך עמוקות עד שהן מייצרות מטוסים חזקים, חוצים את כל הבועה ויוצרים קשר עם התא.
מיקרוג'טים אלה נעים במהירות מדהימה של 200 קמ"ש ומסוגלים לאשר את קרום התא כמו פינק ממוקד מבלי להרוס את התא. מנגנון סילון זה אינו משמיד את הבועה, כלומר מיקרוג'ט חדש יכול להיווצר עם כל מחזור אולטרסאונד.
פיזיקה בשירות הרפואה
"היבט מסקרן הוא שמנגנון פליטה זה מופעל בלחצי אולטרסאונד נמוכים, בסביבות 100 kPa," אומר Supponen. משמעות הדבר היא כי לחץ האולטרסאונד הפועל על המיקרו -בובלים, ולכן על המטופל, דומה ללחץ האוויר האטמוספרי שנמצא סביבנו כל הזמן.
החוקרים מהקבוצה של Supponen לא רק ביצעו תצפיות חזותיות, אלא גם סיפקו הסברים באמצעות מגוון מודלים תיאורטיים שונים. הם הצליחו להראות שלמיקרוג'טים יש ללא ספק הפוטנציאל הגדול ביותר לנזק על פני המנגנונים הרבים האחרים שהוצעו בעבר, ותמכו בתוקף בתצפית החוקרים כי קרום התא מנוקב רק כאשר נוצר מיקרו -ג'ט. קטאנאו אומר, "עם הגדרת המעבדה שלנו, כעת יש לנו דרך טובה יותר להתבונן במיקרו-בובלים ויכולים לתאר את האינטראקציה של מיקרובובל התא בצורה מדויקת יותר." ניתן להשתמש במערכת זו גם כדי לחקור כיצד ניסוחים חדשים של מיקרובבל שפותחו על ידי חוקרים אחרים מגיבים לאולטרסאונד, למשל.
Suffonen מוסיף, "עבודתנו מבהירה את היסודות הפיזיים למתן ממוקד של תרופות באמצעות מיקרו -בוביות ועוזרת לנו להגדיר קריטריונים לשימוש הבטוח והיעיל שלהם." משמעות הדבר היא שהשילוב הנכון של תדירות, לחץ וגודל מיקרו -בובל יכול לעזור למקסם את תוצאות הטיפול, תוך הבטחת בטיחות רבה יותר וסיכון נמוך יותר לחולים. "בנוסף, הצלחנו להראות שרק כמה פולסים של אולטרסאונד מספיקים כדי לאשר קרום תאים. אלה גם חדשות טובות לחולים ", אומר Supponen. לעומת זאת, ניתן לבצע אופטימיזציה של ציפוי המיקרו -בובלים לתדר האולטרסאונד הנדרש, מה שמקל על הקמת הג'טס.
