Biomedische ingenieurs van Johns Hopkins melden dat ze een niet-invasieve manier hebben uitgewerkt om geconcentreerde hoeveelheden van een medicijn vrij te geven en af ​​te geven aan de hersenen van ratten in een tijdelijke, gelokaliseerde manier met behulp van echografie. De methode "kooit" eerst een medicijn in kleine, biologisch afbreekbare "nanodeeltjes, " activeert vervolgens de release door nauwkeurig gerichte geluidsgolven, zoals die worden gebruikt om pijnloos en niet-invasief beelden van interne organen te creëren.

Omdat de meeste psychoactieve drugs op deze manier kunnen worden toegediend, evenals vele andere soorten drugs, de onderzoekers zeggen dat hun methode het potentieel heeft om veel therapieën en onderzoeksstudies binnen en buiten de hersenen te bevorderen.

Ze zeggen ook dat hun methode de bijwerkingen van een medicijn moet minimaliseren, omdat de afgifte van het medicijn is geconcentreerd in een klein deel van het lichaam, dus de totale hoeveelheid toegediend geneesmiddel kan veel lager zijn. En omdat de afzonderlijke componenten van de technologie, inclusief het gebruik van de specifieke biomaterialen, echografie en door de FDA goedgekeurde medicijnen - zijn al bij mensen getest en veilig bevonden, de onderzoekers zijn van mening dat hun methode sneller dan normaal in klinisch gebruik kan worden gebracht:ze hopen binnen een jaar of twee te beginnen met het goedkeuringsproces van de regelgevende instanties.

"Als verder testen van onze combinatiemethode werkt bij mensen, het geeft ons niet alleen een manier om medicijnen naar specifieke delen van de hersenen te sturen, maar zal ons ook veel meer laten leren over de functie van elk hersengebied, " zegt Jordan Groen, doctoraat, universitair hoofddocent biomedische technologie, die ook lid is van het Kimmel Cancer Center en het Institute for Nanobiotechnology.

Details van het onderzoek worden op 23 januari gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Het nieuwe onderzoek, Groen zegt, werd ontworpen om de middelen om drugs veilig in de hersenen te krijgen verder te ontwikkelen, een delicaat en uitdagend orgaan om te behandelen. Om zichzelf te beschermen tegen infectieuze agentia - en tegen zwelling die kan worden veroorzaakt door het immuunsysteem, bijvoorbeeld - de hersenen zijn omgeven door een moleculair hek, de bloed-hersenbarrière (BBB) ​​genoemd, die het oppervlak van elk bloedvat bekleedt dat de hersenen voedt. Alleen zeer kleine medicijnmoleculen die oplossen in olie kunnen door het hek komen, samen met gassen. Daarom, de meeste medicijnen die zijn ontwikkeld voor de behandeling van hersenaandoeningen voldoen aan die criteria, maar zijn verspreid over alle delen van de hersenen - en de rest van het lichaam, waar ze misschien onnodig en ongewenst zijn.

Raag Airan, MD, doctoraat, assistent-professor radiologie aan het Stanford University Medical Center en co-auteur van het artikel, zegt:"Bij het werken met een patiënt met een posttraumatische stressstoornis, bijvoorbeeld, het zou leuk zijn om het overactieve deel van de hersenen tot rust te brengen, bijvoorbeeld de amygdala - tijdens gesprekstherapiesessies. De huidige technologieën kunnen op zijn best de helft van de hersenen tegelijk tot rust brengen, dus ze zijn te niet-specifiek om bruikbaar te zijn in deze setting."

In de nieuwe studie de onderzoekers namen een signaal van eerder gebruik van nanodeeltjes en echografie om chemotherapeutische medicijnen af ​​​​te leveren aan tumoren onder de huid. In hun laatste experimenten, Green's groep ontwierp nanodeeltjes met een buitenste uitzetbare "kooi" gemaakt van biologisch afbreekbaar plastic, waarvan de moleculaire bouwstenen aan de ene kant olieminnend zijn en aan de andere kant waterminnend. De olieminnende uiteinden kleven aan elkaar en vormen een uitzetbare bol met de waterminnende uiteinden aan de buitenkant. De olieminnende uiteinden binden het af te leveren medicijn, wat in dit geval propofol was, een verdovingsmiddel dat vaak wordt gebruikt om aanvallen bij mensen te behandelen.

Het midden van de kooi was gevuld met het vloeibare perfluorpentaan. Wanneer de geluidsgolven van ultrageluid - niet-invasief afgeleverd over de hoofdhuid en schedel met door de FDA goedgekeurde apparaten - perfluorpentaan in het midden van de nanodeeltjes treffen, de vloeistof verandert in een gas, het uitbreiden van de omringende kooi en het laten ontsnappen van de propofol.

Voordat ze hun idee op dieren testen, Green en zijn collega's verfijnden hun ultrasone protocol door nanodeeltjes in plastic buizen te testen. proberen pulsen met de juiste kracht en frequentie te lokaliseren om voldoende hoeveelheden van het medicijn af te geven zonder sterk genoeg te zijn om de BBB te beschadigen, een bekend effect van krachtige echografie.

Ze testten ook de verdeling van de nanodeeltjes bij ratten door een fluorescerende kleurstof aan de deeltjes toe te voegen en de hoeveelheid kleurstof te meten die in de loop van de tijd in bloed- en orgaanmonsters werd aangetroffen. Het merendeel van de deeltjes kwam in de milt en lever terecht, die belangrijke huishoudelijke organen in het lichaam zijn. Zoals verwacht, deeltjes werden niet gevonden in de hersenen omdat ze te groot zijn om door de BBB te gaan. In plaats daarvan, de onderzoekers vertrouwden op propofol's eigen vermogen om door de BBB te gaan zodra deze lokaal uit de nanodeeltjes was vrijgegeven.

Om te zien of hun methode medische hulp zou kunnen bieden aan levende dieren, ze gaven ratten toen een medicijn dat epileptische aanvallen veroorzaakt, gevolgd door de met propofol beladen nanodeeltjes. Ze gebruikten MRI om hun toepassing van de echografie op de hersenen van de rat te begeleiden en zo het medicijn vrij te maken van nanodeeltjes die door infiltrerende bloedvaten drijven. Zodra ze de echografie toepasten, de aanvalsactiviteit van de ratten kalmeerde.

"Deze experimenten tonen de effectiviteit aan van deze methode om de functie van hersencellen te manipuleren door de precieze afgifte van medicijnen, " zegt Green. "Bij mensen, ultrasone apparaten kunnen een volume zo klein als een paar millimeter in blokjes richten, minder dan een tienduizendste van de hersenen."

Airan, die tijdens de studie zijn fellowship en residency deed in het Johns Hopkins Hospital, zegt dat een van de meest veelbelovende onmiddellijke toepassingen van de nieuwe technologie zouden kunnen zijn voor de "brain mapping" die nodig is voor veel neurochirurgie. Voordat een chirurg in de hersenen snijdt om een ​​tumor te verwijderen, bijvoorbeeld, hij of zij moet weten waar hij niet moet snijden. "Momenteel, dat vereist dat de patiënt wakker wordt gehouden, terwijl de chirurg de hersenen blootlegt en deze met elektroden onderzoekt terwijl hij de reacties beoordeelt. De ultrasone methode zou ons in staat stellen om een ​​medicijn zoals propofol te gebruiken om bepaalde delen van de hersenen een voor een kort 'uit te schakelen', voorafgaand aan de operatie, met niets invasiever dan een naaldprik, " hij zegt.

Omdat ultrageluid, MRI en elk onderdeel van de nanodeeltjes zijn goedgekeurd voor ander gebruik bij mensen, de onderzoekers verwachten een korte tijdlijn om hun idee bij patiënten te krijgen, maar ze erkennen dat de toepassingen ervan enigszins zullen worden beperkt door de kosten en toegankelijkheid van MRI-scans - althans op korte termijn.

"Ons huidige model vereist real-time beeldvorming van de hersenen terwijl de echografie wordt toegepast, " zegt Airan. "Op basis van soortgelijke procedures die ik al doe, dat kan oplopen tot $ 30, 000 tot $50, 000. Maar we werken aan software waarmee we een enkel MRI-beeld kunnen synchroniseren met het ultrasone geleidingssysteem om de kosten aanzienlijk te verlagen."

In de tussentijd, de onderzoekers denken dat het nog steeds klinisch relevant zal zijn in veel situaties waarin bekend is dat de effecten van een medicijn weken aanhouden. Ze verwachten ook dat het veel zal worden gebruikt in hersenonderzoek om de functie van specifieke hersengebieden op een gecontroleerde manier te bestuderen en te manipuleren.