Сонопорация
Сонопорация , или клеточная обработка ультразвуком , представляет собой использование звука ультразвукового диапазона для увеличения проницаемости клеточной плазматической мембраны . Этот метод обычно используется в молекулярной биологии и невирусной генной терапии , чтобы обеспечить проникновение больших молекул, таких как ДНК в клетку , в процессе разрушения клетки, называемом трансфекцией или трансформацией . акустическую кавитацию микропузырьков Сонопорация использует для улучшения доставки этих крупных молекул. [1] Точный механизм мембранной транслокации, опосредованной сонопорацией, остается неясным, в настоящее время исследуются несколько различных гипотез.
Сонопорация активно изучается для внедрения чужеродных генов в клетки культуры ткани, особенно в клетки млекопитающих . Сонопорация также изучается для использования в таргетной генной терапии in vivo , в сценарии медицинского лечения, при котором пациенту вводят модифицированную ДНК, а ультразвуковой преобразователь может направлять эту модифицированную ДНК в определенные области тела пациента. [2] Биологическая активность этого метода аналогична электропорации , а в некоторых случаях превосходит ее . длительное воздействие низкочастотного (< МГц Было продемонстрировано, что жизнеспособность ) ультразвука приводит к полной гибели (разрыву) клеток, поэтому при использовании этого метода необходимо также учитывать клеток.
Оборудование
[ редактировать ]Сонопорация проводится с помощью специального сонопоратора. Сонопорацию также можно проводить с помощью специально изготовленных пьезоэлектрических преобразователей, подключенных к настольным функциональным генераторам и акустическим усилителям. стандартные ультразвуковые В некоторых случаях также можно использовать медицинские устройства.
Измерение акустики, используемой при сонопорации, выражается в виде механического индекса , который количественно определяет вероятность того, что воздействие диагностического ультразвука приведет к неблагоприятному биологическому эффекту за счет нетеплового воздействия, основанного на давлении. [3]
Микропузырьковые контрастные вещества
[ редактировать ]Микропузырьковые контрастные вещества обычно используются в ультразвуковых приложениях с контрастным усилением для усиления акустического воздействия ультразвука. В частности, для сонопорации микропузырьки используются для значительного усиления мембранной транслокации молекулярных терапевтических средств. [4]
Общие характеристики
[ редактировать ]Используемые сегодня микропузырьки состоят из газового ядра и окружающей оболочки. Состав этих элементов может варьироваться в зависимости от предпочтительных физических и химических свойств. [5] Оболочки микропузырьков образуются из липидов , галактозы , альбумина или полимеров . Газовое ядро может состоять из воздуха или тяжелых газов, таких как азот или перфторуглерод . [6]
Механизм действия
[ редактировать ]ядра из микропузырьков Газовые обладают высокой сжимаемостью по отношению к жидкой среде, что делает их очень чувствительными к акустическому воздействию. В результате ультразвуковой стимуляции микропузырьки расширяются и сжимаются — явление, называемое стабильной кавитацией . Если микропузырьк прикреплен к клеточной мембране микропузырька, , колебания вызванные ультразвуковой стимуляцией, могут толкать и тянуть мембрану, создавая отверстие в мембране. Эти быстрые колебания также ответственны за прилегающий поток жидкости, называемый микропотоком, который увеличивает давление на окружающие клетки, вызывая дальнейшую сонопорацию целых популяций клеток. [7] Физические механизмы, предположительно связанные с сонопорацией, усиленной микропузырьками, называются толчком, притяжением, микропотоком, трансляцией и струей. [8]
Мембранный механизм транслокации
[ редактировать ]Механизм, с помощью которого молекулы пересекают клеточные мембранные барьеры во время сонопорации, остается неясным. Существуют различные теории, которые потенциально могут объяснить барьерную проницаемость и молекулярную доставку. Доминирующие гипотезы включают образование пор, эндоцитоз и мембранные раны.
Образование пор
[ редактировать ]
О формировании пор после применения ультразвука впервые было сообщено в 1999 году в исследовании, в ходе которого наблюдались кратеры на клеточных мембранах после воздействия ультразвука с частотой 255 кГц. [9] Позже микроинъекция молекул декстрана , опосредованная сонопорацией , показала, что механизмы проницаемости мембран различаются в зависимости от размера молекул декстрана. Сообщалось, что микроинъекции молекул декстрана массой от 3 до 70 кДа пересекали клеточную мембрану через временные поры. Напротив, молекулы декстрана массой 155 и 500 кДа обнаруживались преимущественно в везикулоподобных структурах, что, вероятно, указывает на механизм эндоцитоза . [10] Эта изменчивость поведения мембраны привела к проведению других исследований, изучающих характеристики разрыва мембраны и повторного запечатывания в зависимости от амплитуды и продолжительности ультразвука.
Эндоцитоз
[ редактировать ]Различные клеточные реакции на ультразвук указывают на механизм молекулярного поглощения посредством эндоцитоза. Эти наблюдаемые реакционные явления включают ионный обмен , перекись водорода и концентрацию внутриклеточного кальция в клетках. В исследованиях использовались методы зажима пластыря для мониторинга ионного обмена мембранного потенциала на предмет роли эндоцитоза в сонопорации. Было показано, что воздействие ультразвука на клетки и прилегающие микропузырьки вызывает выраженную гиперполяризацию клеточных мембран наряду с прогрессирующим увеличением внутриклеточного кальция, что, как полагают, является следствием открытия кальциевых каналов в ответ на колебания микропузырьков. Эти данные подтверждают эффективность применения ультразвука, индуцирующего опосредованное кальцием удаление покрытых клатрином ямок, наблюдаемое при традиционных путях эндоцитоза. [11] [12] В другой работе сообщалось, что сонопорация индуцирует образование перекиси водорода — клеточную реакцию, которая, как известно, также связана с эндоцитозом. [9]
Мембранные раны
[ редактировать ]Механически созданные раны на плазматической мембране наблюдались в результате сдвигающих сил, вызванных сонопорацией . Характер этих ран может варьироваться в зависимости от степени акустической кавитации, приводящей к широкому спектру поведения клеток: от пузырьков мембраны до мгновенного лизиса клеток . Многочисленные исследования, посвященные мембранным ранам, отмечают поведение повторного запечатывания, процесс, зависящий от рекрутирования АТФ и внутриклеточных везикул. [9]
Повторная герметизация мембраны
[ редактировать ]После опосредованной сонопорацией мембранной проницаемости клетки могут автоматически восстанавливать отверстия мембраны посредством явления, называемого «восстанавливаемой сонопорацией». [13] Было показано, что процесс повторного закрытия мембраны зависит от кальция. Это свойство может свидетельствовать о том, что процесс восстановления мембран включает активный механизм восстановления клеток в ответ на клеточный приток кальция. [14]
Доклинические исследования
[ редактировать ]
В пробирке
[ редактировать ]Первым исследованием, в котором сообщалось о молекулярной доставке с использованием ультразвука, было исследование in vitro 1987 года, в котором пытались перенести плазмидную ДНК в культивируемые клетки фибробластов мыши с помощью сонопорации. [15] Эта успешная трансфекция G418, плазмидной ДНК, придающая устойчивость к антибиотику в конечном итоге привела к дальнейшим исследованиям in vitro, которые намекнули на возможность сонопорационной трансфекции плазмидной ДНК и миРНК in vivo.
В естественных условиях
[ редактировать ]Впервые о доставке лекарств с помощью ультразвука in vivo было сообщено в 1991 году. [15] и последовало множество других доклинических исследований, включающих сонопорацию. Этот метод используется для доставки терапевтических препаратов или генов для лечения различных заболеваний, включая инсульт , рак , болезнь Паркинсона , болезнь Альцгеймера ... [13] Доклиническая полезность сонопорации хорошо иллюстрируется прошлыми лучевыми методами лечения опухолей, которые показали более чем 10-кратное разрушение клеток, когда ионизирующее излучение сочетается с разрушением сосудов микропузырьков, опосредованным ультразвуком. Такое увеличение эффективности доставки могло бы позволить обеспечить соответствующее снижение терапевтических доз. [16]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сонг Ю, Хан Т., Томпсон И.П., Мейсон Т.Дж., Престон Г.М., Ли Г. и др. (2007). «Перенос ДНК бактерий с помощью ультразвука» . Исследования нуклеиновых кислот . 35 (19): е129. дои : 10.1093/нар/gkm710 . ПМК 2095817 . ПМИД 17890732 .
- ^ Ву Дж, Нюборг В.Л. (2006). Новое терапевтическое ультразвуковое исследование . Сингапур: World Scientific. дои : 10.1142/6047 . ISBN 978-981-256-685-0 .
- ^ Церковь CC (2005). «Частота, длительность импульса и механический индекс» . Письма об акустических исследованиях в Интернете . 6 (3): 162–168. дои : 10.1121/1.1901757 .
- ^ Фаулкс Дж.Б., Крипфганс О.Д., Карсон П.Л. (2004). Микропузырьки для ультразвуковой диагностики и терапии . 2-й международный симпозиум IEEE по биомедицинской визуализации: от макро к нано (номер по каталогу IEEE 04EX821). Том. 2. Нью-Йорк: IEEE. стр. 29–32. дои : 10.1109/isbi.2004.1398466 . ISBN 0-7803-8388-5 . S2CID 29683103 .
- ^ Клибанов А.Л. (2006). «Микропузырьковые контрастные вещества: целевая ультразвуковая визуализация и применение ультразвуковой доставки лекарств». Исследовательская радиология . 41 (3): 354–362. дои : 10.1097/01.rli.0000199292.88189.0f . ПМИД 16481920 . S2CID 27546582 .
- ^ Линднер-младший (2004). «Микропузырьки в медицинской визуализации: текущие применения и будущие направления». Nature Reviews Открытие лекарств . 3 (6): 527–532. дои : 10.1038/nrd1417 . ПМИД 15173842 . S2CID 29807146 .
- ^ Фан Z, Кумон РЭ, Дэн CX (2014). «Механизмы сонопорации с помощью микропузырьков для доставки лекарств и генов» . Терапевтическая доставка . 5 (4): 467–486. дои : 10.4155/tde.14.10 . ПМК 4116608 . ПМИД 24856171 .
- ^ Постема М., Котопоулис С., Делаланд А., Гиля О.Г. (2012). «Сонопорация: почему микропузырьки создают поры» (PDF) . Ультрашкола в медицине . 33 (1): 97–98. дои : 10.1055/s-0031-1274749 . S2CID 260344222 .
- ^ Jump up to: а б с Буаказ А, Зегими А, Дойников АА (2016). «Сонопорация: концепция и механизмы». В Escoffre JM, Bouakaz A (ред.). Терапевтический ультразвук . Достижения экспериментальной медицины и биологии. Том. 880. Гейдельберг: Springer. стр. 175–189. дои : 10.1007/978-3-319-22536-4_10 . ISBN 978-3-319-22536-4 . ПМИД 26486338 .
- ^ Мейеринг Б.Д., Юфферманс Л.Дж., ван Вамель А., Хеннинг Р.Х., Цухорн И.С., Эммер М. и др. (2009). «Доставка макромолекул с помощью ультразвука и микропузырьков регулируется индукцией эндоцитоза и образования пор» . Исследование кровообращения . 104 (5): 679–687. дои : 10.1161/CIRCRESAHA.108.183806 . ПМИД 19168443 . S2CID 23063345 .
- ^ Хаузер Дж., Эллисман М., Стейнау Х.У., Стефан Э., Дудда М., Хаузер М. (2009). «Ультразвук усиливает эндоцитотическую активность фибробластов человека». Ультразвук в медицине и биологии . 35 (12): 2084–2092. doi : 10.1016/j.ultrasmedbio.2009.06.1090 . ПМИД 19828232 .
- ^ Тран Т.А., Роджер С., Ле Геннек Ж.Ю., Транквар Ф., Буаказ А. (2007). «Влияние активированных ультразвуком микропузырьков на электрофизиологические свойства клеток» (PDF) . Ультразвук в медицине и биологии . 33 (1): 158–163. doi : 10.1016/j.ultrasmedbio.2006.07.029 . ПМИД 17189059 .
- ^ Jump up to: а б Ву Дж (2018). «Акустическая потоковая передача и ее применение» . Жидкости . 3 (4): 108. Бибкод : 2018Fluid...3..108W . дои : 10.3390/fluids3040108 . ISSN 2311-5521 .
- ^ Чжоу Ю, Ши Дж, Цуй Дж, Дэн CX (2008). «Влияние внеклеточного кальция на повторное запечатывание клеточных мембран при сонопорации» . Журнал контролируемого выпуска . 126 (1): 34–43. дои : 10.1016/j.jconrel.2007.11.007 . ПМК 2270413 . ПМИД 18158198 .
- ^ Jump up to: а б Томизава М., Шинозаки Ф., Мотоёси Ю., Сугияма Т., Ямамото С., Суэйши М. (2013). «Сонопорация: перенос генов с помощью ультразвука» . Всемирный методологический журнал . 3 (4): 39–44. дои : 10.5662/wjm.v3.i4.39 . ПМЦ 4145571 . ПМИД 25237622 .
- ^ Альтер Дж., Сеннога Калифорния, Лопес Д.М., Экерсли Р.Дж., Уэллс DJ (2009). «Стабильность микропузырьков является основным фактором, определяющим эффективность ультразвука и переноса генов, опосредованного микропузырьками in vivo». Ультразвук в медицине и биологии . 35 (6): 976–984. doi : 10.1016/j.ultrasmedbio.2008.12.015 . ПМИД 19285783 .