我们的大脑不断工作以维持身体的正常运转，因此需要得到最大程度的保护。除了厚厚的头骨外，血脑屏障 (BBB) 是一种天然的保护性膜，可以阻止毒素和病原体等微小入侵者进入神经系统。
不幸的是，这也限制了对神经系统疾病的医疗治疗，包括阿尔茨海默病、帕金森病、脑肿瘤和 ALS（肌萎缩侧索硬化）。但医学物理学的最新进展引入了超声激活的微气泡，可以暂时打开血脑屏障，实现靶向药物输送。这项创新可以通过提高治疗精度和减少副作用来彻底改变医疗保健。
为了更好地理解微气泡药物输送背后的物理机制，瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员在《Nature Physics》上发表了他们的 研究结果，为靶向疗法的未来提供了见解。
靶向药物输送
血脑屏障由连接内皮细胞——内衬血管内部的细胞——的紧密连接组成。它选择性地允许某些营养物质和氧气通过，同时限制许多其他物质。穿过血脑屏障的药物通常是脂溶性分子，可以直接扩散通过细胞膜，而较大或水溶性分子则面临重大挑战。
大多数用于治疗中枢神经系统疾病的化学药物由于其化学性质，难以穿透血脑屏障。因此，它们通常治疗效果低下，同时在其他器官和组织中积聚，增加了副作用的风险。
为了克服这一挑战，研究人员一直在探索靶向药物输送的先进方法。微气泡，它们将治疗性化合物封装在气态中，提供了一种有前途的解决方案。通过血液输送，它们会到达目标区域，并在超声波触发时将药物释放到大脑中。这使得它们成为已知唯一一种可用于打开血脑屏障并将药物直接输送到大脑的非侵入性、局部化和可逆的方法。
然而，微气泡促进药物运输的确切物理过程——直到现在——仍然不清楚。
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微气泡和微射流
微气泡比红细胞小，由一层脂肪分子稳定。当在目标部位暴露于超声波时，这些气泡会暂时在血脑屏障的细胞膜上形成微小孔洞，使药物得以通过。但是，这一过程的确切机制尚未完全理解。
观察这些相互作用极其困难，因为微气泡直径仅为几微米（一微米是千分之一毫米），并在超声波作用下每秒振动数百万次。
为了详细捕捉这一过程，研究人员开发了一种具有 200 倍放大倍率的专用显微镜，并将其与能够以每秒 1000 万张图像的速度录制的告诉摄像机集成。
为了模拟微气泡与血脑屏障之间的相互作用，他们构建了一个模型，该模型由浸入盐溶液中的塑料膜上的内皮细胞组成。在引入含有模型药物的微气泡后，他们施加了微秒级的超声脉冲。
“我们能够证明，在超声波作用下，微气泡的表面会失去形状，从而产生微小的液体射流，称为微射流，它们会穿透细胞膜，”该研究的第一作者、博士生 Marco Cattaneo 在一份 新闻稿 中解释道。
这些微射流以惊人的每小时 200 公里（约 124 英里/小时）的速度移动，以精确的精度刺穿细胞膜，同时保持细胞完好无损。该过程效率很高，因为每次形成微射流后气泡都保持完好，从而在每个超声周期中实现持续的药物释放。
详细观察
这种实验室设置使研究人员能够以前所未有的细节观察细胞-微气泡相互作用。未来，科学家们的目标是优化超声波的频率和压力，以及微气泡的大小和包被，以最大化治疗效果，同时确保患者安全。
“我们的工作阐明了通过微气泡进行靶向给药的物理基础，并帮助我们定义其安全有效使用的标准，”苏黎世流体动力学研究所教授 Outi Supponen 在新闻稿中说。
未来的研究将进一步改进这项技术，可能将其应用范围从神经退行性疾病扩展到包括心脏病发作和动脉粥样硬化等疾病。
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文章来源
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Nature Physics： 循环射流促进微气泡介导的药物输送
StatPearls： 解剖学，头部和颈部：血脑屏障
