Ультразвук у доставці лікарських засобів
Ультразвукові хвилі (УЗХ), тобто акустичні коливання високої частоти, що не сприймаються людським вухом, по-різному віддзеркалюються від різних біологічних тканин, і це покладено в основу УЗ-діагностики. Крім того, УЗХ можуть забезпечити більш глибоке проникнення лікарських засобів, нанесених на шкіру,— це називають фонофорезом (сонофорезом) та наразі використовують переважно у косметології. Високоенергетичні сфокусовані УЗХ можуть руйнувати тканини, що дозволяє проводити абляцію ракових пухлин та фіброміоми матки, видаляти катаракту, руйнувати сенсорні нерви з метою лікування хронічного болю тощо. Із середини 90-х років минулого століття, коли вчені дійшли висновку, що УЗХ можуть поліпшувати проникнення молекул ліків у клітини, їх почали активно використовувати у дослідженнях, присвячених цільовій доставці лікарських засобів
Пухлини — мішень № 1
Протипухлинні засоби зазвичай є цитотоксичними сполуками, які чинять потужну побічну дію на здорові тканини. Адресна доставка лікарських засобів у пухлину може значно зменшити небажані ефекти та підвищити безпеку хіміотерапії. Отже, пухлини є тими мішенями, для яких розробка методів адресної доставки ліків є особливо актуальною. Великий крок в цій царині було зроблено завдяки наночастинкам, які можна не лише навантажити ліками, а й покрити молекулами, що забезпечать таргетинг — впізнають потрібний тип клітин, зв’яжуться з ними та вивільнять ліки саме там, де вони повинні діяти.
На жаль, наночастинки не здатні вирішити багатьох проблем: при внутрішньовенному введенні значна їх частина може бути елімінована із крові імунною системою; вони часто погано проникають крізь фізіологічні бар’єри та майже не потрапляють у надзвичайно щільну тканину твердих пухлин; в результаті вони в недостатній кількості потрапляють у клітини-мішені (в пухлині акумулюється лише близько 1% введених пацієнту наночастинок). УЗХ можуть допомогти подолати ці перешкоди.
Завдяки УЗХ наночастинки можуть проникати крізь фізіологічні бар’єри, зокрема, ендотелій судин, щільні контакти епітелію, щільний позаклітинний матрикс, плазматичну мембрану та цитоплазму клітин і, якщо потрібно, навіть крізь ядерну мембрану. Окремими важливими завданнями для УЗХ є подолання наночастинками гематоенцефалічного бар’єра (ГЕБ) та проникнення в мозок.
Для використання разом із УЗХ створюють наночастинки із чутливого до впливу УЗХ матеріалу — це нанопухирці, міцели та наноліпосоми, побудовані із ліпопротеїдів або фосфоліпідів та навантажені ЛЗ. Важливим доповненням до цієї «наноколекції» є мікропухирці — вони мають більший розмір (1–2 мкм) і наповнені газом. Саме мікропухирці виступили першими в тандемі з УЗХ для вирішення різноманітних діагностичних та терапевтичних завдань.
Читайте також: Мікроголки — перспективний засіб трансдермальної доставки ліків
Одна з головних причин поганого проникнення наночастинок углиб твердих пухлин — незвичайна щільність позаклітинного матриксу, що складається із тісно переплетених ниток колагену, еластину, протеогліканів та гіалуронової кислоти. Крім того, через активну проліферацію клітин в обмеженому просторі, високу проникність судин та відсутність лімфодренажу в пухлині зростає тиск міжклітинної рідини, що також заважає наночастикам потрапити в пухлину. А деякі ділянки пухлин можуть мати погано розвинену систему кровопостачання, якою мандрують наночастинки, і туди лікарському засобу потрапити ще складніше. Вплив УЗХ на тканини організму та наночастинки може сприяти потраплянню ліків у цільові ділянки.
Ще однією перепоною на шляху наночастинок до патологічного вогнища може бути слиз, який виділяють епітеліальні тканини у легенях, піхві, сечовому міхурі. При цьому муколітики не дуже ефективні, коли йдеться про доставку наночастинок крізь слиз. Низькочастотні УЗХ легко руйнують структуру слизу, що дозволяє наночастинкам не загрузнути та швидко дістатися цільової тканини.
Біофізичні ефекти ультразвуку
Сфокусовані УЗХ певної частоти та інтенсивності чинять різноманітні впливи на клітини та тканини живого організму, серед яких на особливу увагу заслуговують сонопорація, кавітація та гіпертермія.
Сонопорація — процес збільшення розміру пор у плазматичній мембрані клітини в результаті механічного впливу УЗХ. Тобто УЗХ можуть фізично руйнувати мембранні структури, що призводить до утворення в клітинній мембрані отворів, через які шляхом пасивної дифузії наночастинки або невеликі молекули можуть потрапляти всередину клітини.
Сонопорація може посилити процес кавітації — утворення в рідині порожнин, заповнених газом. УЗХ можуть спричинити в живих тканинах утворення, вібрацію та руйнування мікропухирців. На практиці для посилення сонопорації використовують екзогенні мікропухирці — їх створюють штучно та вводять пацієнту разом із лікарським засобом. Штучні мікропухирці — це порожнини, заповнені газоподібним фторвуглецем та стабілізовані сурфактантами, фосфоліпідами або синтетичними полімерами. Під дією УЗХ певної інтенсивності мікропухирці, поглинаючи акустичну енергію, починають коливатися, що породжує ударну хвилю рідини, яка, своєю чергою, порушує структуру клітинних мембран. Тиск рідини, в якій коливаються пухирці, також сприяє збільшенню проникності мембрани. Це і є «сонопорація, індукована кавітацією» — метод, що має вельми великі перспективи щодо цільової доставки лікарських засобів.
Штучні мікропухирці широко застосовують як засіб підвищення контрастності при УЗ-діагностиці, але в цих випадках інтенсивності УЗХ не вистачає для їхнього руйнування. Для доставки ліків мікропухирці навантажують ліками, вводять пацієнту і у необхідному місті за допомогою УЗХ збуджують у них коливання та/або одразу руйнують, в результаті чого препарат вивільняється та проникає в клітину.
Розрізняють стабільну та інерційну кавітацію. Для першої характерно коливання стабільних пухирців, що існують тривалий час. Під дією УЗХ пухирці розширюються та стискаються, поки весь газ, яким вони наповнені, не розчиниться у середовищі. Стабільну кавітацію використовують переважно для впливу на тканину в цілому, наприклад, поліпшення проникності стінок судин для лікарського засобу або наночастинок. Для інерційної кавітації характерне утворення у рідині парогазових порожнин внаслідок розтягнення рідини під дією УЗХ. Після утворення порожнини різко захлопуються, при цьому відбуваються локальний нагрів та збурення у вигляді ударних хвиль, потоків і струменів. Інерційну кавітацію використовують переважно для зміни проникності клітинних мембран з метою посилення доставки терапевтичних агентів всередину клітини.
Читайте також: Сублінгвальна і трансбукальна доставка лікарських засобів: стан справ
Поглинання тканиною енергії сфокусованого УЗХ може призводити до її локального нагріву до 40–45 °C, і така температура, залежно від тривалості впливу, може зберігатися до 60 хв. Зазвичай гіпертермію використовують у комбінації з хіміо- та радіотерапією, наприклад, для підвищення чутливості пухлини до хіміотерапії. Гіпертермія призводить до зміни текучості фосфоліпідного біслою клітинної мембрани, що, своєю чергою, спричиняє зміни, часто — збільшення її проникності для лікарського засобу або наночастинок. Також нагрівання УЗ випромінюванням може призводити до деформації або повного руйнування наночастинок, що використовують для вивільнення з них терапевтичних агентів у потрібному місці. Такі наночастинки створюють з термочутливих матеріалів (полімерів або ліпідів).
Для вивільнення ліків наночастинки треба зруйнувати. УЗХ це можуть робити шляхом нагрівання чи механічного руйнування або обома шляхами одночасно. УЗХ можна сфокусувати таким чином, що під їхній вплив потрапить дуже обмежена ділянка тканини-мішені — об’ємом у кілька кубічних міліметрів. Цю властивість УЗХ використовують для руйнування як патологічної тканини (термальна абляція), так і наночастинок, що несуть лікарський засіб (цільова доставка). Останнє забезпечує точковий вплив препарату, що дозволяє уникнути пошкодження здорових клітин токсичними речовинами.
Як вже згадувалося вище, доставка наночастинок у ракові пухлини є утрудненою через наявність фізіологічних бар’єрів та особливості пухлинної тканини. В результаті дуже незначна частина введених у кров наночастинок потрапляє у пухлину. Застосування УЗХ та штучних мікропухирців дозволяє значно збільшити проникнення наночастинок крізь судинну стінку в пухлину. Також механічна енергія УЗХ може фізично «проштовхнути» наночастинки у щільний пухлинний матрикс.
Отже, УЗХ можуть забезпечити, по-перше, вивільнення ліків із наночастинок в потрібному місці в потрібний час, по-друге, захоплення та накопичення наночастинок в клітині і, по-третє, посилення проникнення наночастинок у пухлину.
Читайте також: Мікроголки — перспективний засіб трансдермальної доставки ліків
Не лише доставка
Високоінтенсивні сфокусовані УЗХ здатні локально підвищити проникність ГЕБ для лікарських засобів. Це може бути необхідним для лікування не лише пухлин мозку, а й інших церебральних хвороб — інфекційних, обмінних, нейродегенеративних. Для цього внутрішньовенно вводять мікропухирці із газоподібним перфторвуглецем, а потім опромінюють потрібну ділянку УЗ. В результаті коливання мікропухирців тимчасово, на кілька годин, порушується цілісність ГЕБ, і лікарський засіб може потрапити із кровотоку в тканини мозку. При використанні високоінтенсивних сфокусованих УЗХ в неврологічній практиці важливо не перевищити певні частоти, адже це може призвести до пошкодження нейронів.
При хворобі Альцгеймера підвищення проникності ГЕБ дозволяє потрапити в мозок антитілам проти амілоїду. Як показали результати досліджень, проведених на мишах, це може призвести до зменшення кількості амілоїдних бляшок та поліпшення пам’яті.
У 2016 р. FDA схвалило методику лікування високоінтенсивними сфокусованими УЗХ есенційного тремору, і наразі йдуть випробування методів лікування хвороби Паркінсона. В цих випадках УЗХ не бере участі у доставці лікарських засобів, а служить інструментом для таламотомії — нейрохірургічної операції, при якій пацієнту наносять невеличкі, точно локалізовані пошкодження деяких ядер таламуса.
Добре відомий антимікробний ефект УЗХ. В його основі лежить та сама акустична кавітація — вона генерує ударні хвилі, що пошкоджують мікроорганізми. Ще один механізм бактерицидної дії УЗХ — утворення у водному середовищі вільних радикалів, які псують життя бактеріям. Крім того, низькочастотні сфокусовані УЗХ можуть посилювати дію антибіотиків на бактерії.
Виявлено синергічний ефект УЗХ та імунотерапії (соноімунотерапія) у лікуванні інфекцій, спричинених метицилінорезистентним стафілококом (MRSA). УЗХ чинять антимікробну дію завдяки продукції вільних радикалів та вільних форм кисню, які дуже токсичні для бактерій і при цьому до них не може сформуватися резистентність. Ефекту УЗХ не завжди вистачає для повної елімінації збудника, тому їх застосовують разом з антивірулентними препаратами, які не вбивають бактерію, а знешкоджують її фактори вірулентності. Поєднання цих двох підходів дозволяє повністю позбутися патогенної бактерії без впливу на корисну мікробіоту та зі збереженням природних захисних механізмів організму.
Кавітаційний ефект УЗ можна застосовувати для руйнування біоплівок з метою підвищення ефективності антибіотикотерапії, а також попередження утворення бактеріями біоплівок на поверхнях імплантатів.
Підготувала Тетяна Ткаченко, канд. біол. наук
“Фармацевт Практик” #4′ 2020
