Durch die Injektion von Medikamenten in den Blutkreislauf kann häufig auch gesundes Gewebe geschädigt werden. Drug-Delivery-Systeme (DDS) sind eine innovative Lösung, die gezielt auf bestimmte Zellen abzielt und solche Nebenwirkungen minimiert. Eine Strategie zur Medikamentenverabreichung, die sich immer mehr durchgesetzt hat, beinhaltet eine Kombination aus Mikrobläschen und Ultraschall.
Mikrobläschen sind kleine gasgefüllte Bläschen, die auf ihrer Oberfläche mit Medikamenten oder anderen therapeutischen Wirkstoffen beladen sein können. Wenn diese Mikrobläschen Ultraschallwellen ausgesetzt werden, beginnen sie zu schwingen, wobei die daraus resultierenden Vibrationen das adsorbierte Medikament an der bestrahlten Stelle nach und nach freisetzen. Obwohl dieses Phänomen in der Vergangenheit untersucht wurde, gibt es kaum quantitative Experimente darüber, wie Moleküle bei Ultraschallbestrahlung aus Mikrobläschen desorbieren.
In einer aktuellen Studie veröffentlicht am 22. August 2023 in der Zeitschrift Wissenschaftliche Berichtewollte ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Daisuke Koyama und der Doktorandin Frau Reina Kobayashi von der Fakultät für Naturwissenschaften und Ingenieurwissenschaften der Doshisha-Universität, Japan, diese Wissenslücke schließen.
Sie entwarfen einen innovativen Versuchsaufbau, um die Desorption eines Tensids aus einzelnen Mikrobläschen zu analysieren. Zu ihrer Arbeit gehörten auch Beiträge von Dr. Marie Pierre Krafft vom Institut Charles Sadron (CNRS) der Universität Straßburg, Frankreich.
„Bei einem DDS mit Ultraschall und Mikrobläschen werden Mikrobläschen mit Medikamenten oder Genen in Blutgefäße injiziert, sodass die Bläschen über Antigen-Antikörper-Reaktionen gezielt am Zielgewebe adsorbieren können. Unsere vorgeschlagene Methode und die experimentellen Ergebnisse können vorhersagen, wie viele Moleküle desorbiert werden von den Bläschen in die Blutgefäße“, erklärt Prof. Koyama.
Die vorgeschlagene Methode basiert auf der Messung des Kontaktwinkels einzelner Blasen, die auf einer Glasplatte platziert sind, mithilfe einer Hochgeschwindigkeits-Videokamera. Der Kontaktwinkel oder der Winkel, der zwischen der Festkörper- und der Blasenoberfläche an ihrem Kontaktpunkt gebildet wird, hängt eng mit der Oberflächenspannung der Blase zusammen.
Die Oberflächenspannung wiederum hängt von der Menge an Tensid (Arzneimittelmolekülen) auf der Oberfläche der Blase ab. Durch Beobachtung des Kontaktwinkels einer Blase unter Ultraschallbestrahlung ist es somit möglich, die Menge der Moleküle abzuschätzen, die aufgrund der induzierten Vibrationen desorbiert werden.
Um ihre Methodik zu testen, entwickelte das Team einen Versuchsaufbau, der eine Hochgeschwindigkeitskamera mit einem Fernmikroskop, einer mit Flüssigkeit gefüllten Ultraschallzelle, einer dünnen, transparenten Glasplatte und einem Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) gepaart mit einem CCD kombiniert Kamera.
Sie platzierten sorgfältig Mikrobläschen aus mit Fluorkohlenstoff angereichertem Gas und einem Lipid namens 1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholin (DMPC) auf der Glasplatte. Während die Hochgeschwindigkeitskamera Echtzeitdaten zum Kontaktwinkel der Blase lieferte, ermöglichten die LDV- und CCD-Kamera den Forschern die Überwachung der Amplitude der auf die Blase induzierten Schwingungen sowie ihres Radius.
Mit diesem Aufbau haben die Forscher die Desorptionseigenschaften für verschiedene Blasengrößen und DMPC-Konzentrationen gemessen und dabei wichtige Erkenntnisse über den Prozess der ultraschallinduzierten Desorption gewonnen. Insbesondere entdeckten sie, dass Mikrobläschen unter Resonanzbedingungen sehr schnell erhebliche Mengen an adsorbierten Molekülen (>50 %) an die umgebenden Medien abgeben.
Sie zeigten auch, dass die ultraschallinduzierte Desorption ein sehr schneller Prozess ist, der fast unmittelbar nach der Ultraschallbestrahlung beginnt und genauso schnell wieder aufhört. Darüber hinaus zeigten sie, dass das Ausmaß der durch Ultraschall induzierten molekularen Desorption von der Blasengröße abhängt, was bedeutet, dass die Vibrationseigenschaften der in DDSs verwendeten Mikrobläschen wichtig für die Kontrolle der Arzneimittelfreisetzung sind.
Die vorgeschlagene Methode könnte sich bei der Gestaltung und Entwicklung von DDSs unter Verwendung von Ultraschall und Mikrobläschen als wesentlich erweisen. „Die Mengen an Medikamenten, die bei Patienten in Blutgefäße freigesetzt werden, können mit unserer Methode quantitativ abgeschätzt werden, was bedeutet, dass die optimalen Mengen an Medikamenten tragenden Mikrobläschen für vaskuläre Medikamententherapien genau vorhergesagt werden können“, fügt Prof. Koyama hinzu. Indem nur die erforderliche Menge des Arzneimittels in den Blutkreislauf verabreicht wird, können die Nebenwirkungen auf ein Minimum beschränkt werden, was die Behandlungsergebnisse und die Lebensqualität des Patienten verbessert.
Das Forschungsteam plant, die kontrollierte Wirkstofffreisetzung weiter zu erforschen, indem es in seiner zukünftigen Arbeit den Zusammenhang zwischen der Ultraschallfrequenz, der Schalldruckamplitude und der Menge der molekularen Desorption klärt.
Mehr Informationen:
Reina Kobayashi et al., Quantitative Schätzung von Phospholipidmolekülen, die unter Ultraschallbestrahlung von einer Mikrobläschenoberfläche desorbiert werden, Wissenschaftliche Berichte (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-40823-0