NCSU- und UNC-Forscher nutzen Nanotechnologie, um hartnäckige Blutgerinnsel zu bekämpfen

Veröffentlichungsdatum: 8. Januar 2021

RALEIGH – Ingenieursforscher haben eine neue Technik zur Beseitigung besonders hartnäckiger Blutgerinnsel entwickelt. Dabei werden künstliche Nanotröpfchen und ein Ultraschall-„Bohrer“ eingesetzt, um die Blutgerinnsel von innen nach außen aufzubrechen. Die Technik wurde noch nicht klinisch getestet. In-vitro-Tests haben vielversprechende Ergebnisse gezeigt.

Konkret zielt der neue Ansatz auf die Behandlung zurückgezogener Blutgerinnsel ab, die sich über längere Zeiträume bilden und besonders dicht sind. Diese Blutgerinnsel sind besonders schwer zu behandeln, da sie weniger porös sind als andere Blutgerinnsel, wodurch Medikamente, die Blutgerinnsel auflösen, nur schwer in das Blutgerinnsel eindringen können.

Die neue Technik besteht aus zwei Schlüsselkomponenten: den Nanotröpfchen und dem Ultraschallbohrer.

Die Nanotröpfchen bestehen aus winzigen Lipidkügelchen, die mit flüssigen Perfluorkohlenstoffen (PFCs) gefüllt sind. Konkret sind die Nanotröpfchen mit PFCs mit niedrigem Siedepunkt gefüllt, was bedeutet, dass eine kleine Menge Ultraschallenergie dazu führt, dass sich die Flüssigkeit in Gas umwandelt. Bei der Umwandlung in ein Gas dehnen sich die PFCs schnell aus, verdampfen die Nanotröpfchen und bilden mikroskopisch kleine Blasen.

„Wir bringen Nanotröpfchen in die Stelle des Gerinnsels ein, und weil die Nanotröpfchen so klein sind, können sie in die Gerinnsel eindringen und sich dort in Mikrobläschen umwandeln, wenn sie Ultraschall ausgesetzt werden“, sagt Leela Goel, Erstautorin einer Arbeit über das Gerinnsel arbeiten. Goel ist Ph.D. Student in der gemeinsamen Abteilung für biomedizinische Technik an der North Carolina State University und der University of North Carolina in Chapel Hill.

Nachdem sich die Mikrobläschen in den Gerinnseln gebildet haben, werden die Mikrobläschen durch die fortgesetzte Einwirkung von Ultraschall auf die Gerinnsel in Schwingung versetzt. Die schnelle Vibration der Mikrobläschen führt dazu, dass sie sich wie winzige Presslufthämmer verhalten, die physikalische Struktur des Gerinnsels zerstören und zur Auflösung des Gerinnsels beitragen. Diese Vibration erzeugt auch größere Löcher in der Gerinnselmasse, die es Blutgerinnungshemmern ermöglichen, tief in das Gerinnsel einzudringen und es weiter aufzubrechen.

Die Technik wird ermöglicht durch der Ultraschallbohrer – dabei handelt es sich um einen Ultraschallwandler, der klein genug ist, um über einen Katheter in das Blutgefäß eingeführt zu werden. Der Bohrer kann den Ultraschall direkt nach vorne richten, was ihn äußerst präzise macht. Es ist außerdem in der Lage, genügend Ultraschallenergie auf die Zielstelle zu richten, um die Nanotröpfchen zu aktivieren, ohne das umliegende gesunde Gewebe zu schädigen. Der Bohrer verfügt über ein Röhrchen, mit dem Benutzer Nanotröpfchen an der Stelle des Gerinnsels injizieren können.

In In-vitro-Tests verglichen die Forscher verschiedene Kombinationen aus medikamentöser Behandlung, dem Einsatz von Mikrobläschen und Ultraschall zur Beseitigung von Blutgerinnseln sowie der neuen Technik mit Nanotröpfchen und Ultraschall.

„Wir fanden heraus, dass der Einsatz von Nanotröpfchen, Ultraschall und medikamentöser Behandlung am effektivsten war und die Größe des Gerinnsels um 40%, plus/minus 9%, verringerte“, sagt Xiaoning Jiang, Dean F. Duncan Distinguished Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der North Carolina Staat und korrespondierender Autor des Papiers. „Die alleinige Verwendung der Nanotröpfchen und Ultraschall reduzierte die Masse um 30%, plus oder minus 8%. Die nächstbeste Behandlung umfasste eine medikamentöse Behandlung, Mikrobläschen und Ultraschall – und das reduzierte die Gerinnselmasse nur um 17%, plus/minus 9%. Alle diese Tests wurden mit der gleichen Behandlungsdauer von 30 Minuten durchgeführt.

„Diese ersten Testergebnisse sind sehr vielversprechend.“

„Der Einsatz von Ultraschall zur Auflösung von Blutgerinnseln wird seit Jahren untersucht, darunter mehrere umfangreiche Studien an Patienten in Europa, mit begrenztem Erfolg“, sagt Co-Autor Paul Dayton, William R. Kenan Jr. Distinguished Professor of Biomedical Engineering an der UNC und NC-Staat. „Die Zugabe von Nanotröpfchen mit niedrigem Siedepunkt in Kombination mit dem Ultraschallbohrer hat jedoch einen erheblichen Fortschritt in dieser Technologie gezeigt.“

„Die nächsten Schritte werden präklinische Tests in Tiermodellen umfassen, die uns helfen werden zu beurteilen, wie sicher und effektiv diese Technik zur Behandlung tiefer Venenthrombosen sein könnte“, sagt Zhen Xu, Professor für Biomedizintechnik an der University of Michigan und Co-Autor des Papiers.

Das Papier, "Nanotröpfchenvermittelte kathetergesteuerte Sonothrombolyse zurückgezogener Blutgerinnsel,” ist Open Access in der Zeitschrift veröffentlicht Mikrosysteme und Nanotechnik. Das Papier wurde gemeinsam von Huaiyu Wu und Bohua Zhang verfasst, die beide promoviert haben. Studenten an der NC State; und Jinwook Kim, ein Postdoktorand in der gemeinsamen Abteilung für Biomedizintechnik an der UNC und NC State.

Die Arbeit wurde mit Unterstützung der National Institutes of Health im Rahmen des Zuschusses R01HL141967 durchgeführt.

Ein von Jiang mitbegründetes Startup namens SonoVascular, Inc. hat die Ultraschall-„Bohr“-Technologie von NC State lizenziert. SonoVascular und NC State hoffen, mit Industriepartnern zusammenzuarbeiten, um die Technologie voranzutreiben. Für die von Dayton miterfundenen Nanotröpfchen mit niedrigem Siedepunkt wurde ebenfalls ein US-Patent erteilt. Diese Technologie wurde vom Spinout-Unternehmen Triangle Biotechnology, Inc. lizenziert, das von Dayton mitbegründet wurde. Die Co-Autoren der Studie, Dayton, Kim, Xu und Jiang, haben ebenfalls eine Patentanmeldung im Zusammenhang mit der Nanotröpfchen-vermittelten Sonothrombolyse eingereicht.

(C) NCSU

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire