大脑是一个堡垒，是身体的中央指挥中心，受到血脑屏障(BBB)的保护。这个由血管和组织组成的网络就像一个生物看门人，一个选择性的过滤器，阻止血液中的有害物质进入大脑复杂的生态系统。
这种保护是有代价的。血脑屏障可以让一些东西进入，比如水、氧气、由非常小的分子组成的全身麻醉剂，但它也阻止了许多重要的治疗药物进入大脑，限制了神经系统问题的治疗选择。
但是一个由佐治亚理工学院生物医学工程师科斯塔斯·阿瓦尼蒂斯领导的多国研究小组正在用一种结合了微泡(微小的充满气体的球体)和超声波技术的技术来解决这一挑战。他们的创新方法旨在暂时打开血脑屏障，让药物或免疫细胞进入来对抗疾病，为与脑癌或阿尔茨海默病等疾病作斗争的患者带来治疗希望。
“我们发现微泡增强超声，一种新兴的技术，提供了一种非侵入性的方式来暂时打开血脑屏障，允许血液传播的治疗到达大脑，”Arvanitis说，他是华莱士H.库尔特生物医学工程系和乔治W.伍德拉夫机械工程学院的副教授。
他补充说，这项技术有可能被微调，以建立针对脑部疾病的机会之窗。科斯塔斯和他的合作者在最近一期的《自然通讯》上描述了他们的工作。
比人类头发直径还小的微泡，其外壳由脂质或蛋白质构成。在医疗保健中，它们经常被用来帮助提高超声波的可见度，作为造影剂，照亮身体内部的细节。
超声波利用高频声波产生图像。当微泡暴露在聚焦的超声波下时，它们会迅速膨胀和收缩。这种温和的机械力摇动了大脑周围的保护屏障，创造了小的开口，让救援人员通过。
“尽管它们结构简单，但微气泡具有复杂的行为，”Arvanitis说。“它们可以在特定频率上共振，使我们能够操纵它们的振荡，以增强血脑屏障的渗透性。它们的行为也取决于它们的大小和壳的组成。”
例如，具有弹性外壳的微气泡在增加血脑屏障的渗透性方面更有效。在他们的研究中，Arvanitis和他的合作者注意到使用弹性壳(基于脂质)微泡的药物递送效率提高了12倍。
研究人员使用小鼠进行研究，但从数学模型开始模拟脑血管中的微泡动力学。他们确定了增强微泡运动的共振频率，并探索了频率、气泡动力学和大脑炎症反应之间的关系。
他们的模型和后来的实验表明，特定的超声波频率可以增强免疫细胞的运动，增加脑肿瘤中的药物积累。他们还发现，更高的超声频率，在有效打开血脑屏障的同时，也伴随着血脑屏障内皮细胞炎症标志物的表达增加，这是一个重要的发现，因为过度的炎症会导致神经系统疾病患者进一步的并发症。
Arvanitis说:“通过了解和控制微泡的频率动态，我们可以创建一个最大限度地提高药物输送效率的系统。”“我们的研究结果表明，使用较低的频率可能有利于提供治疗，同时减少炎症，这对治疗阿尔茨海默氏症和帕金森病等神经退行性疾病至关重要。”
这项研究的意义可能会超越药物输送，为新的诊断技术铺平道路。使用超声波打开血脑屏障可以让临床医生直接从大脑收集重要信息，改进诊断技术，如超声增强活检。
“我们的工作建立的科学原理不仅提高了我们开发更安全、更有效的脑部疾病治疗方法的能力，而且为大脑内外的创新诊断和治疗策略奠定了基础，”Arvanitis说，他的团队包括来自他实验室的研究生以及来自加州大学(旧金山)、斯坦福大学和爱丁堡大学的研究人员。
他补充说:“微泡与血管相互作用的动力学可能会对我们尚未探索的其他医学领域产生重要影响。”
更多资料:郭玉彤等，超声频率控制的脑血管微泡动力学调节血脑屏障炎症通路的富集，Nature Communications(2024)。DOI: 10.1038/s41467-024-52329-y期刊信息:自然通讯由佐治亚理工学院提供引文:解锁大脑:使用微泡和超声波进行药物输送(2024,10月8日)检索自2024年10月8日https://medicalxpress.com/news/2024-10-brain-microbubbles-ultrasound-drug-delivery.html本文受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
