Onderzoekers van Duke University hebben een manier ontdekt om de effectiviteit en veiligheid van sonogenetica of ultrasone modulatie te verbeteren, opkomende technieken die geluidsgolven gebruiken om het gedrag van individuele neuronen te controleren of om weefselgroei en wondgenezing in andere cellen te bevorderen.

Ultrasone therapie maakt vaak gebruik van gerichte ultrasone golven om cavitatiebellen te creëren - kleine ballonnen van snel oscillerende luchtzakken die nabijgelegen celmembranen uitrekken wanneer ze barsten. Dit uitrekken kan calciumionkanalen activeren, een neuron laten vuren, of kan de reparatiemechanismen van het lichaam signaleren om in overdrive te gaan.

Als een luchtbel te groot of te dichtbij is, echter, de techniek kan nabijgelegen cellen beschadigen of vernietigen. Hoewel dit het gewenste resultaat kan zijn in toepassingen zoals kankertherapie, onderzoekers van sonogenetica willen doorgaans schade voorkomen.

In een nieuwe studie, biomedische ingenieurs ontdekten dat door microscopisch kleine bolletjes aan receptoren op het celoppervlak te bevestigen, ze kunnen de celrekking van de techniek produceren, calciumvrijmakende effecten veel veiliger.

De resultaten verschenen in de week van 25 december online, 2017 in de Proceedings van de National Academy of Science .

"Om ionenkanalen en poriën in het celmembraan te openen, je moet het meestal heel sterk en heel snel uitrekken, " zei Pei Zhong, de Anderson-Rupp hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Duke. "Maar we ontdekten dat het bevestigen van microbolletjes aan het celoppervlak de reactie van de cel tijdens cavitatie versterkt en hetzelfde resultaat oplevert met veel minder risico op celbeschadiging."

Geproduceerd wanneer een kracht een leegte in vloeistof creëert, cavitatiebellen kunnen krachtig genoeg zijn om ernstige schade aan scheepsschroeven te veroorzaken. Hoewel de cavitatiebellen die tijdens medische procedures ontstaan ​​lang niet zo sterk zijn, ze kunnen nog steeds veel schade aanrichten. En vanwege hun snelheid en willekeur, het is erg moeilijk om hun effecten op nabijgelegen cellen te bestuderen.

De nieuwe studie is de eerste die een experimenteel platform gebruikt dat het team van Zhong in 2015 heeft gebouwd om sonoporatie te bestuderen die elke keer op betrouwbare wijze tandemcavitatiebellen op precies dezelfde plek produceert. Door verschillende soorten cellen op verschillende afstanden van de bellen te plaatsen, onderzoekers kunnen beginnen met het onderzoeken van de details van hoe cellen reageren.

Voor de eerste vervolgstudie om het platform te gebruiken, Zhong koos ervoor om naar calciumsignalering te kijken.

"Calciumsignalering regelt veel belangrijke cellulaire functies, zoals spiercontractie, neurale communicatie, gentranscriptie en weefselgroei, " zei Fenfang Li, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Zhong en hoofdauteur van de studie. "Eerdere studies hebben aangetoond dat sonogenetica en sonoporatie een calciumrespons veroorzaken, die neuronen kunnen laten vuren of genezing in andere cellen kunnen bevorderen, dus we wilden een kijkje nemen."

De resultaten toonden aan dat cavitatiebellen eigenlijk twee soorten calciumreacties produceren:langzame golven en snelle golven. Maar het meest interessante, de studie toonde aan dat microbolletjes die aan het celoppervlak zijn bevestigd, een deel van de energie van de bubbels kunnen opvangen, zodat ze aan het oppervlak van het membraan trekken. Dit zorgt voor meer plaatselijke vervorming - en een sterkere calciumrespons - door een langzamere, zachtere golf.

"Deze strategie kan de cellen stimuleren op veilige afstand van de cavitatiebellen, " zei Zhong. "De aanpak zou het voor onderzoekers veel gemakkelijker moeten maken om sonogenetica veilig te gebruiken in menselijke therapieën."