PNAS:新型設備打開血腦屏障,助力腦部疾病治療
生物探索 · 2020/01/06
康涅狄格大學的工程師們設計了一種無毒、可生物降解的設備,可以幫助藥物從血管進入腦組織——這條路徑傳統上被人體防御機制阻斷。該研究結果發表在《PNAS》上。


Thanh Nguyen教授與研究生一起展示了他們開發的材料樣本 圖源:Thanh Nguyen

康涅狄格大學的工程師們設計了一種無毒、可生物降解的設備,可以幫助藥物從血管進入腦組織——這條路徑傳統上被人體防御機制阻斷。該研究結果發表在《PNAS》上。


https://doi.org/10.1073/pnas.1910343117

大腦中的血管由緊密連接在一起的細胞排列而成,形成了所謂的血腦屏障,將細菌和毒素與大腦隔離開來,但這種血腦屏障也會阻礙治療癌癥等腦部疾病的藥物。打開這一屏障的安全有效途徑是超聲波,聚焦在正確位置的超聲波可以使血管內壁的細胞振動,足以在血腦屏障中打開短暫的裂紋從而使藥物通過。但是,當前的超聲技術要做到這一點,需要將多個超聲源排列在一個人的頭骨周圍,然后使用MRI來引導操作超聲的人將超聲波聚焦在正確的位置,這種方法笨重、困難,而且每次都要服藥很昂貴。另一種方式是植入設備,在大腦中局部應用超聲,它更加精確和可重復,但是大多數超聲換能器包含有毒物質,例如鉛,而且使用后必須將其去除,這需要手術因此可能會傷害大腦組織。

Nguyen教授的實驗室專門研究壓電生物材料。壓電將物理應變(如彎曲或壓縮)轉化為電能,反之亦然,是使用電流產生振動的傳感器的理想材料。研究人員提出了如何將可生物降解的聚合物聚L-乳酸(PLLA)紡成寬度僅為200納米、長度為數十至數百微米的微小納米纖維的方法。當在此紡絲過程中施加高電壓時,纖維就會拉伸并對齊,對齊后可以將它們編織成網格。而且,纖維的排列增強了它們的壓電響應,從而使納米纖維PLLA所消耗的電能比常規的聚合物薄膜所產生的電能少得多。這些高度壓電的納米纖維使研究人員能夠制造出可生物降解的敏感傳感器,該傳感器可無線測量器官內壓力,還可以充當超聲換能器。


具有可控性和出色的壓電性能的PLLA納米纖維,用于可生物降解的植入式壓電設備

PLLA通常用于溶解外科縫合線,是一種非常安全的生物相容性材料。因此,當研究人員將PLLA換能器植入小鼠體內時,發現該傳感器是安全生物降解的。最重要的是,該設備可以生成控制良好的超聲波,局部打開血腦屏障,從而幫助注入血液的藥物進入大腦組織。該超聲設備甚至可以充當揚聲器以產生可聽見的聲音或播放音樂。


體內實驗證明了PLLA納米纖維換能器在打開血腦屏障和藥物遞送中的應用

這是第一個由普通且安全的醫療材料制成的可生物降解的換能器,研究小組還需要研究如何優化強度,以在血腦屏障中形成良好的裂縫,其寬度足以使大分子藥物通過,而又不會損害血管或大腦。而且,要想讓這種設備被批準用于人類,還需要在比老鼠大的動物身上進行更長的時間測試。

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