123RF
Holografia akustyczna w leczeniu chorób mózgu
Redaktor: Monika Stelmach
Data: 18.05.2022
Źródło: Paweł Wernicki/PAP, DOI 10.1109/TBME.2021.3115553
| Tagi: | leki, bariera krew-mózg, ultradźwięki |
Dzięki zastosowaniu ultradźwięków można skutecznie i selektywnie dostarczać leki do tkanki mózgowej – informuje pismo „IEEE Transactions on Biomedical Engineering”.
W przypadku schorzeń mózgu, na przykład choroby Parkinsona czy Alzheimera, dostarczanie leków jest trudne ze względu na barierę krew-mózg. Można jednak zwiększyć jej przenikalność za pomocą wiązki ultradźwięków. Hiszpańscy naukowcy z Universitat Politecnica de Valencia (UPV) udoskonalili tę metodę.
Przetwornik ultradźwiękowy wytwarza dźwięki podobnie jak głośnik, tyle że wibruje z prędkością na przykład pół miliona drgań na sekundę. Przed nim umieszczany jest hologram akustyczny, przez który przechodzi fala, trafiając następnie na wypełniony wodą stożek, który styka się z czaszką pacjenta. Następnie fala przechodzi przez mózg, ostatecznie skupiając się na obszarze będącym przedmiotem zainteresowania terapeutycznego.
Jednocześnie do krwioobiegu wprowadzane są mikropęcherzyki. Kiedy dotrą do naczyń włosowatych mózgu i znajdą pod wpływem ultradźwięków, zaczynają wibrować. Wtedy tkanka nabłonkowa bariery krew-mózg zaczyna ustępować i otwierają się „szczeliny”, przez które przechodzą cząsteczki leków.
– Dzięki naszym hologramom wiązka ultradźwiękowa skupia się i dostosowuje dwustronnie oraz bardzo precyzyjnie do części mózgu o dużym znaczeniu terapeutycznym, takich jak na przykład jądra hipokampu, związane z chorobą Alzheimera, które mają dziwaczny trójwymiarowy kształt – zaznaczył Noé Jiménez z UPV.
Po raz pierwszy bariera krew-mózg została otwarta jednocześnie w obu półkulach. Ponadto zespół naukowców z UPV, Consejo Superior de Investigaciones Científicas(CSIC) i Columbia University osiągnął ten efekt z rozdzielczością znacznie wyższą niż standardowa, co pozwala na lepszą lokalizację obszaru leczenia, minimalizując działanie na zdrową tkankę, a jednocześnie redukując koszty i czas pracy.
Jak wyjaśnił Francisco Camarena, badacz z Instytutu Instrumentacji Obrazowania Molekularnego, wspólnego ośrodka UPV i CSIC, skoncentrowane ultradźwięki mają ogromny potencjał w leczeniu chorób neurologicznych dzięki ich zdolności do generowania efektów terapeutycznych w sposób precyzyjny i nieinwazyjny.
– Jednak zastosowanie ich do struktur ośrodkowego układu nerwowego jest skomplikowane ze względu na dwie przeszkody: skutki aberracji i osłabienia przez czaszkę oraz złożone i rozległe rozmieszczenie przestrzenne głębokich struktur mózgu – zauważył Camarena.
Hologramy akustyczne zaprojektowane przez badaczy UPV i CSIC pozwalają na bardziej kontrolowane otwarcie bariery krew-mózg niż to osiągane wyłącznie przy użyciu ultradźwięków. Co najważniejsze, mogą korygować aberracje wprowadzane przez czaszkę.
Hologram jest drukowany i dostosowywany do każdego przypadku za pomocą drukarki 3D. – Załóżmy na przykład, że lekarz musi działać ultradźwiękami na ciało migdałowate chorego. W tym celu dostarcza nam obrazy tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego głowy pacjenta ze zidentyfikowanym obszarem leczenia. Na podstawie tych informacji projektujemy hologram, którego potrzebujemy, aby uzyskać ultrasonografię obszaru zainteresowania – wyjaśnił Sergio Jiménez, lekarz w UPV i obecnie członek grupy z Columbia University. Naukowiec zwrócił także uwagę na stosunkowo niski koszt hologramów, który wahałby się od 40 do 300 euro, w zależności od zastosowania medycznego.
Obecnie zespół naukowców z UPV, CSIC i Columbia University pracuje nad weryfikacją tej nowej technologii otwierania bariery krew-mózg u naczelnych innych niż człowiek. Zespół opracowuje pierwsze protokoły eksperymentów na ludziach dotyczących leczenia guzów mózgu i neurostymulacji.
Przetwornik ultradźwiękowy wytwarza dźwięki podobnie jak głośnik, tyle że wibruje z prędkością na przykład pół miliona drgań na sekundę. Przed nim umieszczany jest hologram akustyczny, przez który przechodzi fala, trafiając następnie na wypełniony wodą stożek, który styka się z czaszką pacjenta. Następnie fala przechodzi przez mózg, ostatecznie skupiając się na obszarze będącym przedmiotem zainteresowania terapeutycznego.
Jednocześnie do krwioobiegu wprowadzane są mikropęcherzyki. Kiedy dotrą do naczyń włosowatych mózgu i znajdą pod wpływem ultradźwięków, zaczynają wibrować. Wtedy tkanka nabłonkowa bariery krew-mózg zaczyna ustępować i otwierają się „szczeliny”, przez które przechodzą cząsteczki leków.
– Dzięki naszym hologramom wiązka ultradźwiękowa skupia się i dostosowuje dwustronnie oraz bardzo precyzyjnie do części mózgu o dużym znaczeniu terapeutycznym, takich jak na przykład jądra hipokampu, związane z chorobą Alzheimera, które mają dziwaczny trójwymiarowy kształt – zaznaczył Noé Jiménez z UPV.
Po raz pierwszy bariera krew-mózg została otwarta jednocześnie w obu półkulach. Ponadto zespół naukowców z UPV, Consejo Superior de Investigaciones Científicas(CSIC) i Columbia University osiągnął ten efekt z rozdzielczością znacznie wyższą niż standardowa, co pozwala na lepszą lokalizację obszaru leczenia, minimalizując działanie na zdrową tkankę, a jednocześnie redukując koszty i czas pracy.
Jak wyjaśnił Francisco Camarena, badacz z Instytutu Instrumentacji Obrazowania Molekularnego, wspólnego ośrodka UPV i CSIC, skoncentrowane ultradźwięki mają ogromny potencjał w leczeniu chorób neurologicznych dzięki ich zdolności do generowania efektów terapeutycznych w sposób precyzyjny i nieinwazyjny.
– Jednak zastosowanie ich do struktur ośrodkowego układu nerwowego jest skomplikowane ze względu na dwie przeszkody: skutki aberracji i osłabienia przez czaszkę oraz złożone i rozległe rozmieszczenie przestrzenne głębokich struktur mózgu – zauważył Camarena.
Hologramy akustyczne zaprojektowane przez badaczy UPV i CSIC pozwalają na bardziej kontrolowane otwarcie bariery krew-mózg niż to osiągane wyłącznie przy użyciu ultradźwięków. Co najważniejsze, mogą korygować aberracje wprowadzane przez czaszkę.
Hologram jest drukowany i dostosowywany do każdego przypadku za pomocą drukarki 3D. – Załóżmy na przykład, że lekarz musi działać ultradźwiękami na ciało migdałowate chorego. W tym celu dostarcza nam obrazy tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego głowy pacjenta ze zidentyfikowanym obszarem leczenia. Na podstawie tych informacji projektujemy hologram, którego potrzebujemy, aby uzyskać ultrasonografię obszaru zainteresowania – wyjaśnił Sergio Jiménez, lekarz w UPV i obecnie członek grupy z Columbia University. Naukowiec zwrócił także uwagę na stosunkowo niski koszt hologramów, który wahałby się od 40 do 300 euro, w zależności od zastosowania medycznego.
Obecnie zespół naukowców z UPV, CSIC i Columbia University pracuje nad weryfikacją tej nowej technologii otwierania bariery krew-mózg u naczelnych innych niż człowiek. Zespół opracowuje pierwsze protokoły eksperymentów na ludziach dotyczących leczenia guzów mózgu i neurostymulacji.
