Gli ingegneri biomedici della Johns Hopkins riferiscono di aver escogitato un modo non invasivo per rilasciare e fornire quantità concentrate di un farmaco al cervello dei ratti in modo temporaneo, modo localizzato mediante ultrasuoni. Il metodo prima "ingabbia" un farmaco all'interno di minuscoli, "nanoparticelle biodegradabili, " quindi attiva il suo rilascio attraverso onde sonore mirate con precisione, come quelli utilizzati per creare immagini di organi interni in modo indolore e non invasivo.

Poiché la maggior parte degli psicofarmaci potrebbe essere somministrata in questo modo, così come molti altri tipi di farmaci, i ricercatori affermano che il loro metodo ha il potenziale per far progredire molte terapie e studi di ricerca all'interno e all'esterno del cervello.

Dicono anche che il loro metodo dovrebbe ridurre al minimo gli effetti collaterali di un farmaco perché il rilascio del farmaco è concentrato in una piccola area del corpo, quindi la quantità totale di farmaco somministrato può essere molto inferiore. E poiché i singoli componenti della tecnologia, compreso l'uso di biomateriali specifici, ultrasuoni e farmaci approvati dalla FDA:sono già stati testati su persone e sono risultati sicuri, i ricercatori ritengono che il loro metodo potrebbe essere introdotto nell'uso clinico più rapidamente del solito:sperano di avviare il processo di approvazione normativa entro il prossimo anno o due.

"Se ulteriori test del nostro metodo di combinazione funzionano negli esseri umani, non solo ci darà un modo per dirigere i farmaci verso aree specifiche del cervello, ma ci permetterà anche di imparare molto di più sulla funzione di ogni area del cervello, "dice Jordan Green, dottorato di ricerca, professore associato di ingegneria biomedica, che è anche membro del Kimmel Cancer Center e dell'Institute for Nanobiotechnology.

I dettagli della ricerca sono pubblicati il ​​23 gennaio sulla rivista Nano lettere .

La nuova ricerca, Verde dice, è stato progettato per far progredire ulteriormente i mezzi per far arrivare i farmaci in modo sicuro al cervello, un organo delicato e impegnativo da trattare. Per proteggersi dagli agenti infettivi e dal gonfiore che può essere causato dal sistema immunitario, per esempio, il cervello è circondato da un recinto molecolare, chiamata barriera emato-encefalica (BBB), che riveste la superficie di ogni vaso sanguigno che alimenta il cervello. Solo le molecole di farmaci molto piccole che si dissolvono nell'olio possono attraversare il recinto, insieme ai gas. A causa di ciò, la maggior parte dei farmaci sviluppati per il trattamento dei disturbi cerebrali soddisfa questi criteri ma sono dispersi in tutte le parti del cervello e nel resto del corpo, dove potrebbero essere inutili e non desiderati.

Raag Airan, M.D., dottorato di ricerca, assistente professore di radiologia presso lo Stanford University Medical Center e coautore dell'articolo, dice:"Quando si lavora con un paziente che ha un disturbo da stress post-traumatico, Per esempio, sarebbe bello calmare la parte iperattiva del cervello, per esempio, l'amigdala, durante le sessioni di terapia della parola. Le tecnologie attuali possono al massimo calmare metà del cervello alla volta, quindi sono troppo aspecifici per essere utili in questo contesto."

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno preso spunto dall'uso precedente di nanoparticelle e ultrasuoni per somministrare farmaci chemioterapici ai tumori sottocutanei. Nei loro ultimi esperimenti, Il gruppo di Green ha progettato nanoparticelle con una "gabbia" esterna espandibile in plastica biodegradabile, i cui elementi costitutivi molecolari sono amanti del petrolio da un lato e dell'acqua dall'altro. Le estremità amanti dell'olio si aggrappano e formano una sfera espandibile con le estremità amanti dell'acqua all'esterno. Le estremità amanti dell'olio legano il farmaco da consegnare, che in questo caso era il propofol, un anestetico comunemente usato per trattare le convulsioni nelle persone.

Il centro della gabbia è stato riempito con il perfluoropentano liquido. Quando le onde sonore degli ultrasuoni, erogate in modo non invasivo sul cuoio capelluto e sul cranio con dispositivi approvati dalla FDA, colpiscono il perfluoropentano al centro delle nanoparticelle, il liquido si trasforma in gas, espandendo la gabbia circostante e lasciando fuoriuscire il propofol.

Prima di testare la loro idea sugli animali, Green e i suoi colleghi hanno messo a punto il loro protocollo a ultrasuoni testando le nanoparticelle in tubi di plastica, cercando di individuare impulsi della giusta potenza e frequenza per rilasciare quantità adeguate del farmaco senza essere abbastanza forti da danneggiare la BBB, un effetto noto degli ultrasuoni ad alta potenza.

Hanno anche testato la distribuzione delle nanoparticelle nei ratti aggiungendo un colorante fluorescente alle particelle e misurando la quantità di colorante trovata nel sangue e nei campioni di organi nel tempo. La maggior parte delle particelle finiva nella milza e nel fegato, che sono importanti organi di pulizia del corpo. Come previsto, le particelle non sono state trovate nel cervello perché sono troppo grandi per passare attraverso la BBB. Anziché, i ricercatori facevano affidamento sulla capacità del propofol di passare attraverso il BBB una volta rilasciato localmente dalle nanoparticelle.

Per vedere se il loro metodo potrebbe fornire assistenza medica agli animali vivi, hanno poi somministrato ai topi un farmaco che provoca convulsioni, seguito dalle nanoparticelle cariche di propofol. Hanno usato la risonanza magnetica per guidare la loro applicazione degli ultrasuoni al cervello del ratto e quindi rilasciare il farmaco dalle nanoparticelle che galleggiano attraverso i vasi sanguigni infiltranti. Non appena hanno applicato l'ecografia, l'attività di sequestro dei ratti si è calmata.

"Questi esperimenti mostrano l'efficacia di questo metodo per manipolare la funzione delle cellule cerebrali attraverso la somministrazione precisa di farmaci, " dice Green. "Negli esseri umani, le macchine ad ultrasuoni possono mirare a un volume di pochi millimetri cubi, meno di un decimillesimo del cervello."

Ariano, che stava facendo la sua borsa di studio e residenza presso il Johns Hopkins Hospital durante lo studio, dice che uno dei più promettenti, applicazioni immediate della nuova tecnologia potrebbero essere per la "mappatura del cervello" richiesta prima di molti neurochirurghi. Prima che un chirurgo tagli il cervello per rimuovere un tumore, Per esempio, lui o lei ha bisogno di sapere dove non tagliare. "Attualmente, che richiede di tenere sveglio il paziente, mentre il chirurgo espone il cervello e lo sonda con gli elettrodi mentre valuta le risposte. Il metodo ad ultrasuoni ci permetterebbe di usare un farmaco come il propofol per "spegnere" brevemente aree specifiche del cervello una alla volta, prima dell'intervento, con niente di più invasivo di una puntura d'ago, " lui dice.

Perché l'ecografia, La risonanza magnetica e ogni componente delle nanoparticelle sono stati approvati per altri usi nell'uomo, i ricercatori si aspettano una breve tempistica per far arrivare la loro idea ai pazienti, ma riconoscono che le sue applicazioni saranno in qualche modo limitate dal costo e dall'accessibilità delle scansioni MRI, almeno a breve termine.

"Il nostro modello attuale richiede l'imaging in tempo reale del cervello mentre vengono applicati gli ultrasuoni, " dice Airan. "Sulla base di procedure simili che già faccio, che potrebbe costare fino a $ 30, 000 a $ 50, 000. Ma stiamo lavorando su un software che ci consentirebbe di sincronizzare una singola immagine MRI con il sistema di guida a ultrasuoni per ridurre significativamente i costi".

Nel frattempo, i ricercatori ritengono che sarà ancora clinicamente rilevante in molte situazioni in cui è noto che gli effetti di un farmaco durano per settimane. Si aspettano anche che venga ampiamente utilizzato nella ricerca sul cervello per studiare e manipolare la funzione di aree specifiche del cervello in modo controllato.