Forscher der University of Central Florida haben eine einzigartige Technologie zur Behandlung von Osteoporose entwickelt, bei der Nanobläschen verwendet werden, um gezielte Bereiche des Körpers einer Person zu behandeln.
Die neue Technologie wurde von Mehdi Razavi, Assistenzprofessor am College of Medicine der UCF und Mitglied des Biionix-Clusters der UCF, und Angela Shar, Studentin der biomedizinischen Wissenschaften der UCF, am Biomaterials and Nanomedicine Lab als Teil des Schwerpunkts des Labors auf die Entwicklung von Werkzeugen entwickelt für Diagnostik und Therapie.
Osteoporose ist eine Krankheit, die durch ein Ungleichgewicht zwischen der Fähigkeit des Körpers, neues Knochengewebe oder Ossifikation zu bilden, und dem Abbau oder der Entfernung von altem Knochen, bekannt als Resorption, gekennzeichnet ist.
Laut der Bone Health & Osteoporosis Foundation (BHOF) deuten Studien darauf hin, dass jede zweite Frau und bis zu einer von vier Männern im Alter von 50 Jahren und älter aufgrund von Osteoporose einen Knochen brechen. Experten sagen außerdem voraus, dass Osteoporose bis 2025 jährlich für etwa 3 Millionen Frakturen und 25,3 Milliarden US-Dollar an Kosten verantwortlich sein wird.
Razavi sagt, dass ein gesunder Körper altes oder beschädigtes Knochengewebe kontinuierlich mit einer konstanten Rate ersetzt, um eine gute Knochenqualität und -masse sicherzustellen.
„Aber wenn die Rate der Knochenresorption höher wird als die Knochenbildung, dann führt dies zu Osteoporose, einer systemischen Erkrankung des Skelettsystems“, sagt er.
Viele Osteoporose-Behandlungen verwenden heute Arzneimittel wie Bisphosphonate, um die Knochenresorption zu hemmen. Zu den Nebenwirkungen können Kieferknochennekrose (verzögerte Heilung des Kieferknochens) und Magen-Darm-Probleme gehören.
Die UCF-Erfindung verwendet jedoch auf Ultraschall ansprechende Nanobläschen, um eine Behandlung an gezielten Bereichen des Körpers einer Person abzugeben.
„Es gibt viele Nanoplattformen für die Behandlung von Osteoporose“, sagt Razavi. „Aber der Vorteil von auf Ultraschall ansprechenden Nanobläschen ist, dass sie Ultraschall benötigen, um die Bläschen aufzubrechen und die Gene zu transportieren. Ultraschall selbst kann tatsächlich die Knochenbildung erleichtern.“
Als praktikable, sichere Alternative behandelt und verhindert die UCF-Erfindung die Auswirkungen von Osteoporose.
„Es ist eine doppelt wirkende Technologie“, sagt Razavi. „Auf der einen Seite reduziert man den Knochenabbau und auf der anderen Seite verstärkt man den Knochenaufbau durch Ultraschall.“
In einer beispielhaften Anwendung tragen die Nanobläschen das Osteoporose-bezogene Silencing- oder Knockdown-Gen, Cathepsin K small interfering ribonucleic acid (CTSK siRNA).
Razavi sagt, dass die Nanobläschen sowohl die siRNA vor direkter Wechselwirkung mit ihrer Umgebung schützen als auch auf Osteoklastenzellen abzielen, die Knochenzellen, die das CTSK-Gen tragen. CTSK spielt eine Schlüsselrolle im Knochenresorptionsprozess.
„Also regulieren wir herunter, reduzieren den hohen Ausdruck dieser [bone resorption] Gene mithilfe der siRNA“, sagt er.
Er fügte hinzu, dass das Verabreichungssystem auch dabei hilft, die Freisetzung der Behandlung zu verlangsamen und die Wirksamkeit des Gen-Silencing-Mechanismus zu verlängern.
Jede Nanoblase kapselt die Behandlung in einem Gaskern und einer Flüssigkeitshülle aus Perfluorkohlenstoff ein.
„Der Gaskern hilft uns, die Nanobläschen abzubilden und zu verfolgen“, sagt Razavi. „Es ist auch mit Molekülen eingebettet, die auf Knochen abzielen können.“
„Die Bläschen dringen in die Knochenzellen ein, suchen und finden jene Gene, die Osteoporose verursachen, und sie begraben die CTSK-siRNA, die dann einen Komplex bildet“, sagt er. „Dieser Komplex ist thermodynamisch instabil, und das führt zu einer Art Herunterregulierung oder Stummschaltung dieser Gene. Wenn Sie die Cathepsin-K-Expression messen, erhalten Sie eine geringere Expression davon.“
Für eine kontrollierte, sequentielle Freisetzung und eine angepasste Behandlung (z. B. niedrige Intensität für oberflächliche Frakturen im Vergleich zu hoher Intensität für tiefe Läsionen) können die Ultraschallparameter modifiziert werden, einschließlich Expositionszeit, Intensität, Frequenz und Wellenform.
Razavi führte andere Verwendungen für die Erfindung an.
„Sie können dies für Krebs und andere Anwendungen wie neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer verwenden“, sagt er.
Ein Vorteil von Nanobläschen gegenüber Mikrobläschen ist ihre Fähigkeit, die Zellmembran zu passieren, um Therapeutika abzugeben.
„Ultraschall kann tatsächlich die Blut-Hirn-Schranke öffnen, um die Wanderung der Nanobläschen in die neuralen Zellen für die Genabgabe zu erleichtern“, sagt er.
Chemotherapeutische Medikamente können in die Bläschen eingekapselt und dann injiziert werden, um auf Tumore abzuzielen. Da diese Blasen einen Gaskern haben, können sie auch Sauerstoff abgeben.
„Eine Lösung hier ist, Sauerstoff in das Gewebe zu bringen, um die Regeneration zu erleichtern“, sagt er. „Wir versuchen, Ansätze zu finden, die global eingesetzt werden könnten, nicht-invasiv, weit verbreitet, portabel und kostengünstig sind.“
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Nanomedizin: Nanotechnologie, Biologie und Medizin.
Mehr Informationen:
Angela Shar et al, Ein neuartiges ultraschallvermitteltes, auf Nanotröpfchen basierendes Genabgabesystem zur Behandlung von Osteoporose, Nanomedizin: Nanotechnologie, Biologie und Medizin (2022). DOI: 10.1016/j.nano.2022.102530