Ультразвуковая терапия часто использует целевые ультразвуковые волны для создания кавитационных пузырьков — крошечных шариков из быстро колеблющихся воздушных карманов, которые растягивают близлежащие клеточные мембраны, когда они лопаются. Это растяжение может активировать кальциевые ионные каналы, вызывая срабатывание нейрона, или может сигнализировать о том, что восстановительные механизмы организма начинают работать с перегрузкой.Однако, если пузырь слишком большой или слишком близко, метод может повредить или разрушить близлежащие клетки. Хотя это может быть желаемым результатом в таких приложениях, как терапия рака, исследователи соногенетики обычно хотят избежать повреждений.
В новом исследовании биомедицинские инженеры обнаружили, что, прикрепляя микроскопические шарики к рецепторам на поверхности клетки, они могут гораздо более безопасно производить эффекты растяжения клеток и высвобождения кальция.Результаты были опубликованы в Интернете 25 декабря 2017 года в Трудах Национальной академии наук.«Чтобы открыть ионные каналы и поры в клеточной мембране, вам, как правило, нужно очень сильно и очень быстро растянуть ее», — сказал Пей Чжун, профессор машиностроения и материаловедения Anderson-Rupp в Duke. «Но мы обнаружили, что прикрепление микрогранул к поверхности клетки усиливает реакцию клетки во время кавитации и дает тот же результат с гораздо меньшим риском повреждения клетки».Возникающие, когда сила создает пустоту в жидкости, кавитационные пузырьки могут быть достаточно мощными, чтобы нанести серьезный ущерб гребным винтам корабля.
Хотя кавитационные пузыри, образующиеся во время медицинских процедур, не так сильны, они все же могут нанести большой ущерб. А из-за их скорости и случайности очень сложно изучить их влияние на соседние клетки.В новом исследовании впервые используется экспериментальная платформа, которую команда Чжуна построила в 2015 году для изучения сонопорации, которая надежно создает тандемные кавитационные пузыри каждый раз в одном и том же месте.
Размещая разные типы клеток на разном расстоянии от пузырьков, исследователи могут начать изучать детали того, как клетки реагируют.Для первого последующего исследования с использованием платформы Чжун решил изучить передачу сигналов кальция.
«Передача сигналов кальция регулирует многие важные клеточные функции, такие как сокращение мышц, нейронная связь, транскрипция генов и рост тканей», — сказал Фенфанг Ли, научный сотрудник лаборатории Чжун и ведущий автор исследования. «Предыдущие исследования показали, что соногенетика и сонопорация вызывают кальциевый ответ, который может вызывать возбуждение нейронов или способствовать заживлению других клеток, поэтому мы хотели присмотреться».Результаты показали, что кавитационные пузыри на самом деле вызывают два типа откликов кальция: медленные волны и быстрые волны.
Но что самое интересное, исследование показало, что микрогранулы, прикрепленные к поверхности клетки, могут улавливать часть энергии пузырьков, поэтому они тянутся за поверхность мембраны. Это обеспечивает более локализованную деформацию и более сильный кальциевый отклик от более медленной и мягкой волны.
«Эта стратегия может стимулировать клетки на безопасном расстоянии от кавитационных пузырьков», — сказал Чжун. «Такой подход должен облегчить исследователям безопасное использование соногенетики в терапии людей».