Biologisch abbaubarer Ultraschall öffnet Blut

Aug 22, 2023

Ein neuer, biologisch abbaubarer Ultraschall, der weitaus leistungsfähiger ist als frühere Geräte, könnte Hirntumoren besser behandelbar machen, berichten Forscher der University of Connecticut in Science Advances. Die Studie wurde von der US National Science Foundation unterstützt.

Wenn bei jemandem ein bösartiger Hirntumor diagnostiziert wird, wird dieser in der Regel chirurgisch entfernt und anschließend wird eine Chemotherapie eingesetzt, um die verbliebenen Krebszellen zu entfernen. Hirntumoren sind jedoch besonders resistent gegen Chemotherapie, da die Auskleidung der Blutgefäße verhindert, dass große Moleküle, die das Gehirn schädigen könnten, durch die Zellen gelangen.

Diese verhindern auch, dass nützliche Chemo-Medikamente und andere Therapeutika Hirntumorzellen abtöten und andere Hirnerkrankungen behandeln. Eine sichere und wirksame Möglichkeit, die so genannte Blut-Hirn-Schranke zu überwinden, besteht darin, die Zellen mithilfe von Ultraschall so zu bewegen, dass Poren geöffnet werden, die groß genug sind, damit das Medikament hindurchtreten kann.

„Die kreativen Lösungen dieses Teams für ein kritisches menschliches Problem zeigen die Leistungsfähigkeit der Integration von Technik und Medizin.“

- Kathryn Jablokow

Aber Ultraschall durch den dicken menschlichen Schädel zu bekommen, ist nicht einfach. Im Allgemeinen müssen unmittelbar nach der Chemotherapie im Krankenhaus mehrere leistungsstarke Ultraschallgeräte strategisch um den Schädel herum platziert und mit einem MRT-Gerät sorgfältig auf die Tumorstelle fokussiert werden.

„All das können wir vermeiden, indem wir ein implantiertes Gerät im Gehirn selbst verwenden“, sagt der biomedizinische Ingenieur Thanh Nguyen. „Wir können es wiederholt anwenden, sodass die Chemotherapie in das Gehirn eindringen und Tumorzellen abtöten kann.“ Es gibt bereits ein implantierbares Ultraschallgerät im Handel, das jedoch aus potenziell toxischen Keramikmaterialien besteht und nach Abschluss der Behandlung chirurgisch entfernt werden muss.

Die Forscher haben eine neuartige Lösung gefunden. Sie züchteten Glycinkristalle und zerschmetterten sie dann absichtlich in nur wenige hundert Nanometer große Stücke. Anschließend versponnen sie sie (unter Hochspannung in einem Verfahren namens Elektrospinnen) mit Polycaprolacton (PCL), einem biologisch abbaubaren Polymer, um piezoelektrische Filme aus Nanofasern aus Glycin und PCL herzustellen.

Unter einer kleinen Betriebsspannung kann der Film Ultraschall mit 334 Kilopascal erzeugen, etwa so viel wie ein keramisches Ultraschall-Gehirnimplantat. Das Team überzieht den Glycin-PCL-Film mit anderen biologisch abbaubaren Polymeren, um ihn zu schützen. Es dauert etwa sechs Wochen, bis Poly-L-Lactid, eine mögliche Beschichtung, abgebaut ist.

Das Team hat das im Gehirn implantierte Gerät sechs Monate lang einer Sicherheitsprüfung unterzogen und festgestellt, dass es keine negativen Auswirkungen auf die Gesundheit der Mäuse hatte. Sie werden nun damit beginnen, die Sicherheit und Wirksamkeit an großen Tieren zu testen.

„Die kreativen Lösungen dieses Teams für ein kritisches menschliches Problem zeigen die Leistungsfähigkeit der Integration von Technik und Medizin“, sagt Kathryn Jablokow, Programmdirektorin in der Direktion für Technik der NSF.