Несмотря на выдающиеся достижения в области новых лекарств и биотехнологий, рак по-прежнему остается одной из ведущих причин смерти во всем мире.
Во многих случаях проблема заключается не в лекарствах, а в том, что их сложно доставить к месту опухоли. В здоровой ткани есть регулярная структура кровеносных сосудов, снабжающих клетки кислородом и питательными веществами, которые делятся и растут с постоянной скоростью. Однако в раковых опухолях клетки делятся и растут нерегулируемым образом, создавая хаотическую структуру сосудов и участки ткани с небольшим кровоснабжением или без него.
Это означает, что при проглатывании или введении лекарств в кровоток они не достигают всех частей опухоли, и существует высокий риск рецидива рака после лечения. Вдобавок ко всему, давление внутри многих опухолей не позволяет лекарству всасываться из крови, а это означает, что на самом деле доставляется только очень небольшая его часть. Остальная часть препарата циркулирует по телу и в конечном итоге всасывается здоровыми тканями, что часто приводит к невыносимым побочным эффектам.
Одна из основных целей исследований, проводимых в Оксфордском институте биомедицинской инженерии (IBME), заключается в разработке новых методов доставки противораковых препаратов, которые преодолевают эти препятствия. В то время как инженеры, возможно, чаще рассматриваются в контексте крупных строительных проектов, мы используем точно такое же сочетание прикладной науки и решения проблем.
Строительные наночастицы
Для решения этой проблемы необходимо решить ряд серьезных проблем. Во-первых, нам нужно инкапсулировать лекарство, чтобы предотвратить его взаимодействие со здоровой тканью и / или деактивацию до достижения опухоли. Во-вторых, нам нужен способ доставки лекарства к опухоли, чтобы максимизировать получаемую им концентрацию.
В-третьих, нам нужен механизм для выпуска лекарства по требованию, когда оно накапливается в опухоли. В-четвертых, необходимо обеспечить равномерное распределение высвобождаемого препарата по опухоли. И, наконец, нам нужно иметь возможность контролировать лечение извне.
Наша команда в IBME разработала ряд новых методов создания крошечных частиц, в которые мы можем вставлять лекарства с высокой степенью точности. И мы испробовали множество методов, чтобы частицы высвобождали лекарство. К ним относятся использование материалов, чувствительных к изменению pH внутри опухоли, и материалов, которые разрушаются при нагревании или претерпевают фазовый переход (от твердого вещества к жидкости или жидкости к газу).
Но один из самых универсальных способов вызвать высвобождение лекарства – это направить луч ультразвуковых колебаний на частицы. Широко используемый в качестве метода визуализации, ультразвук может использоваться извне тела и, в отличие от света или тепла, может быть сильно сфокусирован для получения сильно локализованных эффектов.
Чтобы произвести частицы, которые реагируют на ультразвук, мы должны включить в них газ или жидкость, которые легко испаряются. Под воздействием ультразвука газ / жидкость будет быстро расширяться и вытеснять лекарство из частицы.
Пузырьки, активируемые ультразвуком
Этот процесс генерирует пульсирующий газовый или паровой пузырь, который имеет ряд других существенных преимуществ для доставки лекарств. Движение пузыря, создаваемое ультразвуковым полем, помогает вытеснить лекарство из кровеносных сосудов вглубь окружающей опухоли. Мы показали, что пузырьки могут проталкивать лекарства в ткань в четыре раза глубже, чем они обычно диффундируют, что достаточно для равномерного распространения по всей опухоли.
Также растет количество исследований, которые показывают, что микропузырьки и ультразвук делают раковые клетки более проницаемыми для лекарств, ускоряя скорость их работы и, в конечном итоге, гибель клеток. Движение микропузырьков создает вторичный ультразвуковой сигнал, который можно обнаружить вне тела. Это означает, что местоположение и активность частиц можно постоянно контролировать, обеспечивая обратную связь в режиме реального времени о ходе лечения.
Наша цель на ближайшие пять лет – применить эти разработки в клинической практике. Работа будет сосредоточена на улучшении доставки четырех классов лекарств, которые показали огромный потенциал, но которые в настоящее время не могут попасть внутрь опухоли и / или имеют неприемлемые побочные эффекты. Объединив наш опыт инкапсуляции с использованием ультразвука и ударных волн, мы надеемся создать более эффективные лекарства, которые можно будет доставлять прямо к месту опухоли и контролировать с помощью передовых методов визуализации.