Учени от Училището по медицина в Станфордския университет са разработили неинвазивен начин за доставяне на лекарства в желаната точка в мозъка, в рамките на няколко милиметра от целта.
Методът вече е тестван при плъхове, като използва фокусиран ултразвук, за да насочи лекарствените молекули, разхлабени от „клетките“ от наночастици, които са били инжектирани в кръвта.
В изследването учените показват, че фармакологично активните количества бързодействащо лекарство могат да бъдат освободени от тези клетки в малки участъци от мозъка на плъхове, насочени от лъчев фокусиран ултразвук. Лекарството започва да действа незабавно, намалявайки нервната активност в целевата област – но само докато ултразвуковото устройство е активно и само когато интензитетът на ултразвука надхвърли определен праг. Чрез модифицирането на силата и продължителността на лъча изследователите могат да прецизират приемането на лекарството.
Медикаментът, използван в това проучване, е пропофол, анестетик, който обикновено се прилага в хирургията, но по принцип същият подход може да работи за много лекарства с много различни фармакологични действия и психиатрични приложения и дори за някои химиотерапевтични лекарства, използвани за борба с рака.
Чрез обръщане на интензитета на ултразвук и мониторинг на метаболитната активност на мозъка, изследователите биха могли да наблюдават и вторичните ефекти на лекарството върху отдалечени мозъчни региони надолу по веригата, които получават принос от целевия участък, твърди д-р Рааг Арън, доцент по неврорадиология. По този начин изследователите са могли неинвазивно да изобразяват връзките между различните схеми в живия мозък.
Статия описваща резултатите от проучването, беше публикувана онлайн на 7 ноември в изданието Neuron. Арън е старшият автор, като съавтори са Джефри Уанг и Муна Араиал.
Технология, известна като оптогенетика, чиито пионер е проф. Д-р Карл Дайзерот, професор по биоинженерни науки, психиатрия и поведенчески науки в Станфорд, използва инвазивни генни доставки за уязвимост на определени класове нервни клетки до точна експериментална манипулация. Подходът на Арън използва неинвазивни фармакологични методи за постигане на подобен контрол на нервната активност.
„Тази важна работа установява, че ултразвуковото доставяне на лекарства има необходимата точност, за да настрои мозъчната активност чрез целенасочено прилагане на медикаментите“, казва Дайзерот, който не участва в проучването. „Мощната нова техника може да бъде използвана за тестването на идеи, вдъхновени от оптогенетиката, получени първоначално от изследвания на гризачи, след това при големи животни – а може би в скоро време и при клинични проучвания с хора.“
Новата технология може не само да ускори напредъка в научните изследвания на невроните, но и да се превърне бързо в клинична практика, каза Арън.
„Въпреки че това проучване е направено при плъхове, всеки компонент от нашия комплекс от наночастици е одобрен от Агенцията за храните и лекарствата и за изследване при хора, а фокусираният ултразвук обикновено вече се използва в клиничните процедури в Станфорд“, казва той. „Така че, ние сме оптимисти за транслационния потенциал на тази процедура.“
Безвреден при ниска интензивност, използван рутинно за изобразяване на телесни тъкани, ултразвукът с висока интензивност е одобрен за отстраняване или умишлено унищожаване на някои тъкани, включително части от централната мозъчна структура, наречена таламус, за лечение на състояние, известно като есенциален тремор.
Интензитетът на ултразвука, използван в тези експерименти, е около 1/10 до 1/100 от интензитета, използван в процедурите за клинична аблация (Радиофреквентната аблация е инвазивен метод за лечение на сърдечните аритмии, при който се пропуска високочестотен ток в сърцето чрез катетър). Ултразвукът в тези експерименти е доставен в поредица от къси и бързи импулси, разделени от периоди на почивка, което дава на целевата мозъчна тъкан достатъчно време да се охлади между импулсите.
Плъховете, изложени многократно на експеримента не показват никакви данни за увреждане на тъканите от него.
Наночастиците, които Арън усъвършенства от няколко години, са биосъвместими, биоразградими, пълни с течност сфери с диаметър около 400 нанометра. Техните повърхности се състоят от съполимерна матрица, в която е включено лекарството по избор. Приблизително 3 милиона молекули от лекарството се поставят на повърхността на една от тези наночастици.
Всяка наночастица обхваща капчица от вещество, наречено перфлуоровъглерод. Утаени с ултразвукови вълни с правилната честота, тези течности започват да се разклащат и разширяват, докато покритието на полимерната матрица се разруши, като се поставят свободните молекули на лекарството. Пропофолът, подобно на всички психоактивни лекарства, лесно се разпространява чрез кръвно-мозъчна бариера. Но след като премине тази бариера, медикаментът бързо се поглъща от мозъчната тъкан, така че никога да не стига по-далеко от половин милиметър от капилярите, където е освободен.
Арън и колегите му са инжектирали тези частици интравенозно на експериментални плъхове и са проучили потенциала на фокусиран ултразвук за целенасочено доставяне на лекарства.
Първоначално те са измервали активността на нервните клетки във визуалната кора, област в задната част на мозъка, активирана от визуални стимули, в отговор на светкавици, насочени към очите на плъховете. Фокусирайки ултразвуковия лъч върху тази зона на мозъка, учените са наблюдавали как електрическата активност там се поглъща, докато лъчът се предава, а след това се възстановява в рамките на около 10 секунди след като устройството е изключено. Този спад в електрическата активност на визуалния кортекс, което става при освобождаването на анестетик там, е все по-изразено с нарастващия ултразвуков интензитет и изобщо не се е случвало, когато плъховете са били инжектирани с лекарство без наночастици.
Обратно, активността в моторната кора, мозъчна област, която не участва в зрението, в отговор на светлинни вълни, насочени към очите на плъховете, не се понижава, когато се прилага ултразвук там. Но ултразвукът, насочен към областта на мозъка, която предава визуална информация до зрителната кора, намалява електрическата активност във визуалната кора. Това показва, че освобождаването на пропофол в една мозъчна структура може да доведе до вторични ефекти в друг отдалечен регион, който получава въздействие от тази структура.
След това, екипът на Арън наблюдава мозъчния метаболитен отговор към фокусиран ултразвук, като използва позимитронна емисионна томография, за да измерва мозъчното поемане на радиоактивен аналог на глюкозата – глюкозата е главният енергиен източник на мозъка – при плъховете.
Когато инжектираните наночастици са заготовки без медикамент, няма ефект в зоните с ултразвук. Но с наночастици, натоварени с пропофол, метаболизмът пада, което означава, че има намалена нервна активност в тези области, изложени на ултразвук. Това инхибиране се увеличава с нарастващия ултразвуков интензитет. Изкривяването на нивото на ултразвук достатъчно високо също така предизвиква селективно намалена активност в отдалечени области на мозъка, за които е известно, че приемат входни данни от изложената на ултразвук област.
„Надяваме се да използваме тази технология за неинвазивно изрязване или инактивиране на определен малък обем на мозъчната тъкан при пациенти, планирани за неврохирургия“, казва Арън. „Ще инактивирате или премахнете тази малка част от тъканта, за да постигнете желания ефект – например спиране на епилептични припадъци. Но ще предизвика ли това някакви неочаквани странични ефекти?“
