Badacze z NCSU i UNC wykorzystują nanotechnologię do zwalczania trudnych zakrzepów krwi

Data opublikowania: styczeń 8, 2021

RALEIGH – Naukowcy zajmujący się inżynierią opracowali nową technikę eliminowania szczególnie twardych skrzepów krwi, wykorzystując opracowane nanokropelki i „wiertło” ultradźwiękowe do rozbijania skrzepów od środka na zewnątrz. Technika ta nie przeszła jeszcze testów klinicznych. Testy in vitro dały obiecujące wyniki.

W szczególności nowe podejście ma na celu leczenie cofniętych skrzepów krwi, które tworzą się przez dłuższy czas i są szczególnie gęste. Skrzepy te są szczególnie trudne w leczeniu, ponieważ są mniej porowate niż inne skrzepy, co utrudnia wniknięcie do skrzepu leków rozpuszczających skrzepy krwi.

Nowa technika składa się z dwóch kluczowych elementów: nanokropelek i wiertła ultradźwiękowego.

Nanokropelki składają się z maleńkich kulek lipidowych wypełnionych ciekłymi perfluorowęglowodorami (PFC). W szczególności nanokropelki są wypełnione PFC o niskiej temperaturze wrzenia, co oznacza, że niewielka ilość energii ultradźwiękowej spowoduje przekształcenie cieczy w gaz. Po przekształceniu się w gaz PFC szybko się rozszerzają, odparowując nanokropelki i tworząc mikroskopijne pęcherzyki.

„Wprowadzamy nanokropelki w miejsce skrzepu, a ponieważ są one tak małe, są w stanie przeniknąć do skrzepu i przekształcić się w mikropęcherzyki w skrzepie, gdy zostaną wystawione na działanie ultradźwięków” – mówi Leela Goel, pierwsza autorka artykułu na temat praca. Goel jest doktorem. student wspólnego wydziału inżynierii biomedycznej na North Carolina State University i University of North Carolina w Chapel Hill.

Po utworzeniu się mikropęcherzyków w skrzepach, ciągła ekspozycja skrzepów na działanie ultradźwięków powoduje oscylację mikropęcherzyków. Gwałtowne wibracje mikropęcherzyków powodują, że zachowują się one jak maleńkie młotki pneumatyczne, zakłócając fizyczną strukturę skrzepu i pomagając w jego rozpuszczeniu. Wibracje te tworzą również większe dziury w masie skrzepu, co umożliwia przenoszonym przez krew lekom przeciwzakrzepowym wnikanie głęboko w skrzep i dalsze jego rozbijanie.

Technika ta jest możliwa dzięki wiertło ultradźwiękowe – czyli przetwornik ultradźwiękowy, który jest na tyle mały, że można go wprowadzić do naczynia krwionośnego przez cewnik. Wiertło może kierować ultradźwięki bezpośrednio przed siebie, co czyni je niezwykle precyzyjnymi. Jest również w stanie skierować wystarczającą ilość energii ultradźwiękowej w wybrane miejsce, aby aktywować nanokropelki, nie powodując uszkodzenia otaczających zdrowych tkanek. Wiertło zawiera rurkę, która umożliwia wstrzykiwanie nanokropelek w miejsce skrzepu.

W testach in vitro naukowcy porównali różne kombinacje leczenia farmakologicznego, zastosowanie mikropęcherzyków i ultradźwięków w celu wyeliminowania skrzepów oraz nową technikę wykorzystującą nanokropelki i ultradźwięki.

„Odkryliśmy, że najskuteczniejsze było zastosowanie nanokropelek, ultradźwięków i leczenia farmakologicznego, zmniejszając rozmiar skrzepu o 40% plus minus 9%” – mówi Xiaoning Jiang, dziekan F. Duncan wybitny profesor inżynierii mechanicznej i lotniczej w NC Państwo i autor korespondencyjny pracy. „Zastosowanie samych nanokropelek i ultradźwięków zmniejszyło masę o 30% plus minus 8%. Następne najlepsze leczenie obejmowało farmakoterapię, mikropęcherzyki i ultradźwięki – które zmniejszyły masę skrzepu jedynie o 17% plus minus 9%. Wszystkie te testy przeprowadzono w tym samym 30-minutowym okresie leczenia.

„Te wstępne wyniki testów są bardzo obiecujące”.

„Wykorzystanie ultradźwięków do rozrywania skrzepów krwi było badane od lat, w tym kilka znaczących badań na pacjentach w Europie, z ograniczonym sukcesem” – mówi współautor Paul Dayton, William R. Kenan Jr. wybitny profesor inżynierii biomedycznej na UNC i Stan NC. „Jednak dodanie nanokropelek o niskiej temperaturze wrzenia w połączeniu z wiertłem ultradźwiękowym wykazało znaczny postęp w tej technologii”.

„Kolejne kroki będą obejmować badania przedkliniczne na modelach zwierzęcych, które pomogą nam ocenić, jak bezpieczna i skuteczna może być ta technika w leczeniu zakrzepicy żył głębokich” – mówi Zhen Xu, profesor inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Michigan i współautor papieru.

Papier, "Sonotromboliza za pomocą cewnika za pośrednictwem nanokropelek cofniętych skrzepów krwi,” ukazuje się w czasopiśmie w otwartym dostępie Mikrosystemy i nanoinżynieria. Współautorami artykułu są Huaiyu Wu i Bohua Zhang, którzy mają stopień doktora. studenci stanu NC; oraz Jinwook Kim, pracownik naukowy ze stopniem doktora na Wspólnym Wydziale Inżynierii Biomedycznej na Uniwersytecie Kalifornijskim i Karolinie Północnej.

Prace wykonano przy wsparciu Narodowego Instytutu Zdrowia w ramach grantu R01HL141967.

Startup o nazwie SonoVascular, Inc., którego współzałożycielem był Jiang, uzyskał licencję na technologię „wierteł” ultradźwiękowych od NC State. SonoVascular i NC State mają nadzieję na współpracę z partnerami branżowymi w celu udoskonalenia technologii. Nanokropelki o niskiej temperaturze wrzenia, wynalezione wspólnie przez Daytona, również uzyskały patent w USA. Licencję na tę technologię uzyskała spółka spin-out Triangle Biotechnology, Inc., której współzałożycielem był Dayton. Współautorzy badania Dayton, Kim, Xu i Jiang również złożyli wniosek patentowy dotyczący sonotrombolizy za pośrednictwem nanokropel.

(C) NCSU

Oryginalne źródło artykułu: WRALTechWire