Forskare har visat hur ultraljudsenergi kort kan "öppna en dörr" i skyddande yttre membran av levande celler för att kunna träda av läkemedel och andra terapeutiska molekyler - och hur cellerna själva kan sedan snabbt stänga dörren.
Att förstå denna mekanism skulle kunna främja användningen av ultraljud för att leverera genterapi med inriktning kemoterapi och administrera stora molekyl läkemedel som inte med lätthet kan röra sig genom cellmembran.
Använda fem olika mikroskopi tekniker, forskare visade att den våldsamma sammanbrott bubblor - en effekt som orsakas av ultraljud - skapar tillräckligt med kraft för att öppna hål i membranen av celler svävande i en vätska. Hålen, som stängs av celler i ett par minuter, bevilja inresa av terapeutiska molekyler så stora som 50 nanometer i diameter - större än de flesta proteiner och liknande i storlek till det DNA som används för genterapi.
"Hålen görs av mekanisk interaktion med kollapsande bubblor", säger Mark Prausnitz, professor vid Institutionen för kemi-och biomolekylär Engineering vid Georgia Institute of Technology . "Bubblorna pendlar på ultraljud området och kollaps, vilket orsakar en chockvåg att släppas. Fluid förflyttning i samband med den resulterande stötvågen öppnas hål i cellmembranen som tillåter molekyler utifrån att komma in. Cellerna sedan svara på skapandet av hålen genom att mobilisera intracellulära vesiklar till lapp hål inom några minuter. "
Utfärdad av forskare vid Georgia Tech och Emory University i Atlanta, var forskningen redovisas i tidskriften Ultraljud i medicin och biologi (Vol. 32, No 6). Arbetet stöddes av National Institutes of Health (NIH) och National Science Foundation (NSF).
Ultraljud är samma typ av energi redan i stor utsträckning för skintigrafi. Drug delivery sysselsätter högre effektnivåer och olika frekvenser, och bubblor kan införas för att förstärka effekten.
Ultraljud drug delivery kan vara särskilt attraktivt för genterapi, som framgångsrikt har använt virus för att infoga genetiskt material till celler - men med biverkningar. Det skulle också kunna användas för mer riktade leverans av kemoterapeutika.
"En av de stora fördelarna med ultraljud är att det är icke-invasiv," Prausnitz sagt. "Du kan ge ett kemoterapeutiska läkemedel lokalt eller i hela kroppen och fokusera ultraljud bara på områden där tumörer finns. Det skulle öka cellens genomsläpplighet och drog upptag endast i målceller och undvika att påverka friska celler på annat håll."
Forskare har nyligen funnit att tillämpningen av ultraljud kan hjälpa till att flytta droger in i cellerna genom att öka permeabiliteten i cellmembranen. Det hade varit hypoteser, men inte slutgiltigt visat att ultraljud ökade permeabilitet genom att öppna hål i cellmembranen.
Prausnitz och medarbetare Robyn Schlicher, Harish Radhakrisha, Timothy Tolentino, Vladimir Zarnitsyn av Georgia Tech och Robert Apkarian (numera avliden) av Emory University bestämde sig för att studera fenomenet i detalj med hjälp av en rad av prostatacancer celler. De använde skanning och transmissionselektronmikroskopi av fasta celler och två typer av optisk mikroskopi av levande celler för att bedöma ultraljud effekter och svar cell.
Utöver att visa att ultraljud hål i cellmembranen, studerade forskarna också den mekanism genom vilken cellerna reparera hålen. Efter ultraljud exponering infört de i cellen mediet en kemikalie som normalt inte tas upp av celler. Genom att variera när den kemiska infördes, kunde de konstatera att de flesta celler hade reparerat sin membran inom några minuter.