I ricercatori della Duke University hanno scoperto un modo per migliorare l'efficacia e la sicurezza della sonogenetica o della modulazione ultrasonica, tecniche emergenti che utilizzano le onde sonore per controllare il comportamento dei singoli neuroni o per promuovere la crescita dei tessuti e la guarigione delle ferite in altre cellule.
La terapia a ultrasuoni utilizza spesso onde ultrasoniche mirate per creare bolle di cavitazione, piccoli palloncini di sacche d'aria che oscillano rapidamente che si estendono le membrane cellulari vicine quando scoppiano. Questo allungamento può attivare i canali ionici del calcio, provocando l'attivazione di un neurone, o può segnalare ai meccanismi di riparazione del corpo di andare in overdrive.
Se una bolla è troppo grande o troppo vicina, però, la tecnica può danneggiare o distruggere le cellule vicine. Sebbene questo possa essere il risultato desiderato in applicazioni come la terapia del cancro, i ricercatori di sonogenetica in genere vogliono evitare danni.
In un nuovo studio, gli ingegneri biomedici hanno scoperto che attaccando perline microscopiche ai recettori sulla superficie della cellula, possono produrre lo stiramento cellulare della tecnica, gli effetti di rilascio del calcio sono molto più sicuri.
I risultati sono apparsi online la settimana del 25 dicembre, 2017 in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
"Per aprire i canali ionici e i pori della membrana cellulare, in genere devi allungarlo molto forte e molto velocemente, " disse Pei Zhong, il professore Anderson-Rupp di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke. "Ma abbiamo scoperto che attaccare le microsfere alla superficie della cellula amplifica la risposta della cellula durante la cavitazione e produce lo stesso risultato con un rischio molto minore di danno cellulare".
Prodotta quando una forza crea un vuoto nel liquido, le bolle di cavitazione possono essere abbastanza potenti da causare gravi danni alle eliche delle navi. Mentre le bolle di cavitazione create durante le procedure mediche non sono così forti, possono ancora causare molti danni. E a causa della loro velocità e casualità, è molto difficile studiarne gli effetti sulle cellule vicine.
Il nuovo studio è il primo ad utilizzare una piattaforma sperimentale che il team di Zhong ha costruito nel 2015 per studiare la sonoporazione che produce in modo affidabile bolle di cavitazione tandem esattamente nello stesso punto ogni volta. Posizionando diversi tipi di cellule a varie distanze dalle bolle, i ricercatori possono iniziare a esplorare i dettagli di come le cellule rispondono.
Per il primo studio di follow-up ad utilizzare la piattaforma, Zhong ha scelto di esaminare la segnalazione del calcio.
"La segnalazione del calcio regola molte importanti funzioni cellulari, come la contrazione muscolare, comunicazione neurale, trascrizione genica e crescita tissutale, " disse Fenfang Li, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Zhong e autore principale dello studio. "Studi precedenti hanno dimostrato che l'ecogenetica e la sonoporazione provocano una risposta al calcio, che può far accendere i neuroni o favorire la guarigione in altre cellule, quindi abbiamo voluto dare un'occhiata più da vicino".
I risultati hanno mostrato che le bolle di cavitazione producono effettivamente due tipi di risposte del calcio:onde lente e onde veloci. Ma la cosa più interessante, lo studio ha mostrato che le microsfere attaccate alla superficie della cellula possono catturare parte dell'energia delle bolle in modo da tirare la superficie della membrana. Ciò fornisce una deformazione più localizzata e una risposta più forte al calcio, da una più lenta, onda più morbida.
"Questa strategia può stimolare le cellule a distanza di sicurezza dalle bolle di cavitazione, " ha detto Zhong. "L'approccio dovrebbe rendere molto più facile per i ricercatori utilizzare in modo sicuro la sonogenetica nelle terapie umane".
