I ricercatori hanno dimostrato come l'energia ad ultrasuoni può brevemente "aprire una porta" nelle membrane protettivo esterno di cellule viventi per consentire l'ingresso di farmaci ed altre molecole terapeutiche - e come le cellule stesse possono quindi rapidamente chiudere la porta.
La comprensione di questo meccanismo potrebbe avanzare l'uso di ultrasuoni per la consegna di terapie geniche, targeting chemioterapia e somministrazione di grandi molecola farmaci che non possono facilmente muoversi attraverso le membrane cellulari.
Utilizzando cinque diverse tecniche di microscopia, i ricercatori hanno dimostrato che il violento collasso di bolle - un effetto causato dalla ecografia - crea abbastanza forza per aprire buchi nelle membrane di cellule sospese in un mezzo liquido. I fori, che sono chiusi dalle cellule nel giro di pochi minuti, consentono l'ingresso di molecole terapeutiche grande come 50 nanometri di diametro - più grande rispetto alla maggior parte delle proteine e di dimensioni simili al DNA usato per la terapia genica.
"I fori sono realizzati da interazione meccanica con le bolle collasso," ha dichiarato Mark Prausnitz, professore presso la Scuola di chimica e biomolecolare presso il Georgia Institute of Technology . "Le bolle oscillano nel campo degli ultrasuoni e collasso, provocando un'onda d'urto per essere rilasciato. Movimento fluido associata con l'onda d'urto risultante apre buchi nelle membrane cellulari, che permettono di molecole da fuori per entrare. Le cellule poi rispondere alla creazione dei fori attraverso la mobilitazione di vescicole intracellulari di patchare i fori in pochi minuti. "
Fatto da scienziati della Georgia Tech e Emory University di Atlanta, la ricerca è stata riportata nella rivista Ultrasuoni in Medicina e Biologia (vol. 32, n. 6). Il lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health (NIH) e la National Science Foundation (NSF).
L'ecografia è lo stesso tipo di energia già ampiamente utilizzato per la diagnostica per immagini. La consegna della droga impiega livelli di potenza superiore e diverse frequenze, e le bolle possono essere introdotte per migliorare l'effetto.
Consegna della droga ultrasuoni possono essere particolarmente interessanti per la terapia genica, che ha usato con successo virus di inserire materiale genetico nelle cellule - ma con effetti collaterali. Potrebbe anche essere utilizzato per più somministrazione mirata di agenti chemioterapici.
"Uno dei grandi vantaggi degli ultrasuoni è che è non invasiva", ha detto Prausnitz. "Si potrebbe dare un farmaco chemioterapico a livello locale o in tutto il corpo, per poi focalizzarsi gli ultrasuoni solo sui settori in cui esistono i tumori. Questo farebbe aumentare la permeabilità delle cellule e l'assorbimento della droga solo nelle cellule bersaglio e di evitare di compromettere le cellule sane altrove".
I ricercatori hanno scoperto solo di recente che l'applicazione degli ultrasuoni può aiutare a muovere i farmaci nelle cellule, aumentando la permeabilità delle membrane cellulari. Era stato ipotizzato, ma non definitivamente dimostrato che l'ecografia ha aumentato la permeabilità aprendo buchi nelle membrane cellulari.
Prausnitz e collaboratori Robyn Schlicher, Harish Radhakrisha, Timothy Tolentino, Vladimir Zarnitsyn di Georgia Tech e Robert Apkarian (ora deceduto), della Emory University deciso di studiare il fenomeno in dettaglio utilizzando una linea di cancro alla prostata cellule. Hanno usato la scansione e la microscopia elettronica a trasmissione di cellule fisse e due tipi di microscopia ottica delle cellule viventi per valutare gli effetti degli ultrasuoni e le risposte delle cellule.
Al di là dimostrando che i buchi ultrasuoni pugni nelle membrane delle cellule, i ricercatori hanno anche studiato il meccanismo con cui le cellule riparare le buche. Dopo l'esposizione ad ultrasuoni, hanno introdotto nel mezzo delle cellule una sostanza chimica normalmente non ripreso dalle cellule. Variando quando il chimico è stato introdotto, sono stati in grado di determinare che la maggior parte delle cellule avevano riparato le loro membrane in pochi minuti.