Wissenschaftler haben ein biologisch abbaubares Implantat entwickelt, das Chemotherapeutika hilft, die Blut-Hirn-Schranke zu durchdringen und Hirntumoren direkt zu bekämpfen.
Es ist der neueste Fortschritt in einem schnell wachsenden Bereich, bei dem Ultraschall – für den Menschen nicht wahrnehmbare hochfrequente Schallwellen – zur Bekämpfung von Krebs und anderen Krankheiten eingesetzt wird.
Das von den Forschern angesprochene Problem ist die Blut-Hirn-Schranke, eine nahezu undurchdringliche Auskleidung der Blutgefäße, die verhindert, dass schädliche Moleküle aus dem Blut in das Gehirn gelangen. Diese Auskleidung kann aber auch verhindern, dass Chemomedikamente die Krebszellen erreichen.
Deshalb implantierten die Wissenschaftler Geräte mit einer Größe von einem Quadratzentimeter in die Schädel von Mäusen, direkt hinter der Tumorstelle. Die Implantate erzeugen Ultraschallwellen, die die Barriere lockern und es den Medikamenten ermöglichen, den Tumor zu erreichen. Die Schallwellen lassen gesundes Gewebe unbeschädigt.
„Sie injizieren das Medikament in den Körper und schalten gleichzeitig den Ultraschall ein. Bei jeder Anwendung treffen Sie genau den Tumorbereich“, sagte der leitende Studienautor Thanh Nguyen, PhD, ein außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der University of Connecticut.
Das in der Studie verwendete Medikament war Paclitaxel, das normalerweise Schwierigkeiten hat, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden. Die Tumoren schrumpften und die Lebensdauer der Mäuse verdoppelte sich im Vergleich zu unbehandelten Mäusen. Sechs Monate später zeigten die Mäuse keine gesundheitsschädlichen Auswirkungen.
Durchbrechen der Blut-Hirn-Schranke
Das biologisch abbaubare Implantat besteht aus Glycin, einer Aminosäure, die ebenfalls stark piezoelektrisch ist, was bedeutet, dass sie vibriert, wenn sie elektrischem Strom ausgesetzt wird. Um es herzustellen, züchteten Forscher Glycinkristalle, zerschmetterten sie in Stücke und verwendeten schließlich einen Prozess namens Elektrospinnen, bei dem eine hohe elektrische Spannung an die Nanokristalle angelegt wird.
Über ein externes Gerät fließt Spannung zum Implantat. Der entstehende Ultraschall versetzt die festsitzenden Zellen der Blut-Hirn-Schranke in Schwingungen, dehnt sie aus und schafft Platz für die Porenbildung.
„Das ermöglicht die Aufnahme sehr kleiner Partikel, einschließlich Chemomedikamenten“, sagte Nguyen.
Sein früheres biologisch abbaubares Implantat brach durch die Kraft auseinander, aber das neue Glycin-Implantat ist flexibler, stabiler und hochgradig piezoelektrisch. Es könnte implantiert werden, nachdem einem Patienten eine Operation zur Entfernung eines Gehirntumors unterzogen wurde, um die Behandlung verbleibender Krebszellen fortzusetzen. Das Implantat löst sich im Laufe der Zeit harmlos im Körper auf und Ärzte können seine Lebensdauer kontrollieren.
Eine neue Welle von Anwendungen für Ultraschall
Nguyens Studie baut auf ähnlichen Bemühungen auf, einschließlich einer kürzlich durchgeführten klinischen Studie mit einem nicht biologisch abbaubaren Implantat zur Behandlung von Hirntumoren. Ultraschall kann Energie auf präzise Ziele im Körper fokussieren.
Es ist, als würde man „mit einer Lupe mehrere Lichtstrahlen auf einen Punkt fokussieren und ein Loch in ein Blatt brennen“, sagte Neal Kassell, MD, Gründer und Vorsitzender der Focused Ultrasound Foundation. Dieser Ansatz schone angrenzendes normales Gewebe, sagte er.
Ärzte verstehen mittlerweile mehr als 30 Arten, wie Ultraschall mit Gewebe interagiert – von der Zerstörung abnormalen Gewebes über die effektivere Verabreichung von Medikamenten bis hin zur Stimulierung einer Immunantwort. Vor einem Jahrzehnt waren nur fünf solcher Wechselwirkungen bekannt.
Dies öffnet die Tür für die Behandlung „eines breiten Spektrums medizinischer Erkrankungen“, von neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson über schwer zu behandelnde Krebsarten der Prostata und der Bauchspeicheldrüse bis hin zu Suchterkrankungen, sagte Kassell.
Kassell stellt sich den Einsatz von fokussiertem Ultraschall zur Behandlung von Hirntumoren als Alternative (oder Ergänzung) zu Operationen, Chemotherapie, Immuntherapie oder Strahlentherapie vor. Inzwischen hätten Implantate dazu beigetragen, „die Wirksamkeit der Öffnung der Blut-Hirn-Schranke“ zu zeigen, sagte er.
Als nächstes plant Nguyens Team, die Sicherheit und Wirksamkeit ihres Implantats an Schweinen zu testen. Nguyen hofft, schließlich ein Pflaster mit einer Reihe von Implantaten entwickeln zu können, die auf verschiedene Bereiche des Gehirns abzielen.
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