Viaggiare nel cervello con le onde sonore

I tumori cerebrali, le emorragie cerebrali e le malattie neurologiche e mentali sono spesso difficili da trattare con i farmaci. Anche se sono disponibili farmaci efficaci, spesso hanno gravi effetti collaterali perché circolano in tutto il cervello e non solo nell'area in cui dovrebbero agire. Gli scienziati nutrono quindi grandi speranze sulla possibilità di depositare in futuro i farmaci nel cervello in modo più mirato, in un sito d'azione strettamente definito. Per questo motivo stanno lavorando allo sviluppo di mini veicoli di trasporto che possano essere guidati attraverso i vasi sanguigni ricchi di ramificazioni.

I ricercatori dell'ETH di Zurigo, dell'Università di Zurigo e dell'Ospedale universitario di Zurigo sono riusciti per la prima volta a navigare attraverso i vasi sanguigni del cervello di un animale utilizzando microveicoli controllabili con gli ultrasuoni.

Gli ultrasuoni al posto del magnetismo

Gli ultrasuoni presentano dei vantaggi rispetto alle tecniche di navigazione alternative, come quelle che utilizzano i campi magnetici, come spiega Daniel Ahmed, professore di robotica acustica presso l'ETH di Zurigo e responsabile dello studio: "Gli ultrasuoni sono già ampiamente utilizzati in medicina, penetrano in profondità nel corpo e sono sicuri".

Come microveicoli, Fabio Bergamin e i suoi colleghi hanno utilizzato vescicole piene di gas con un guscio di acidi grassi, lo stesso componente che costituisce le membrane delle cellule biologiche. Le vescicole hanno un diametro di un micrometro e mezzo e sono ora utilizzate come agente di contrasto nell'imaging a ultrasuoni.

Come hanno dimostrato i ricercatori, queste vescicole possono essere controllate attraverso il flusso sanguigno. "Poiché le vescicole sono già state ammesse all'uso nell'uomo, probabilmente saremo in grado di portare la nostra tecnologia all'approvazione e all'applicazione nell'uomo più rapidamente rispetto ai microveicoli alternativi attualmente oggetto di ricerca", afferma Ahmed, che nel 2019 ha ricevuto un ERC Starting Grant dal Consiglio europeo della ricerca per il suo progetto di ricerca e sviluppo di questa tecnologia.

Un altro vantaggio delle microbolle controllate dagli ultrasuoni è che si decompongono nel corpo una volta terminato il loro lavoro. Quando sono controllate da campi magnetici, un altro approccio, le microbolle devono essere magnetiche e non è facile sviluppare microbolle magnetiche biodegradabili. Inoltre, le microbolle dei ricercatori dell'ETH sono piccole e morbide. "Possiamo usarle per navigare facilmente attraverso capillari sanguigni stretti", dice Alexia Del Campo Fonseca, dottoranda del gruppo di Ahmed e prima autrice dello studio.

Trasporto contro la direzione del flusso

Negli ultimi anni Ahmed e il suo gruppo hanno sviluppato in laboratorio il controllo delle microbolle in vasi stretti. Ora, insieme a ricercatori dell'Università di Zurigo e dell'Ospedale universitario di Zurigo, le ha testate nei vasi sanguigni del cervello dei topi. I ricercatori hanno iniettato le vescicole nel flusso sanguigno dei topi. Senza un controllo esterno, le vescicole vengono trasportate dal flusso sanguigno. Tuttavia, i ricercatori sono stati in grado di mantenere le vescicole in posizione utilizzando gli ultrasuoni o di indirizzarle contro la direzione del flusso sanguigno attraverso i vasi cerebrali. I ricercatori sono stati anche in grado di guidare le vescicole lungo vasi sanguigni contorti o di far loro cambiare direzione più volte per farle navigare nelle ramificazioni più fini dei vasi sanguigni.

Per controllare i microveicoli, i ricercatori hanno collegato quattro piccoli convertitori di energia all'esterno del cranio dei topi. Questi generano vibrazioni nella gamma degli ultrasuoni, che si propagano nel cervello sotto forma di onde. Le onde di due o più convertitori di energia possono annullarsi o amplificarsi a vicenda in determinati punti del cervello. Gli scienziati guidano le bolle Chi siamo controllando in modo sofisticato e dinamico i singoli convertitori di energia. Il feedback delle immagini in tempo reale mostra loro dove si muovono le bolle.

In questo studio i ricercatori hanno utilizzato la microscopia a due fotoni per l'imaging. In futuro, gli scienziati vorrebbero utilizzare anche gli ultrasuoni per l'imaging, per i quali intendono sviluppare ulteriormente la tecnologia a ultrasuoni.

In questo studio, le microbolle non sono state caricate con farmaci. I ricercatori volevano inizialmente controllare i veicoli attraverso i vasi sanguigni e dimostrare la loro fattibilità nel cervello. ? qui che si trovano le applicazioni mediche più promettenti, dal cancro all'ictus, fino alle malattie mentali. Nella fase successiva, i ricercatori vogliono attaccare le molecole di farmaco all'esterno dell'involucro delle vescicole per trasportarle. E vogliono sviluppare ulteriormente l'intero processo in modo che funzioni anche negli esseri umani. Su questa base, in futuro verranno sviluppate nuove terapie.