Ultrasound enhanced drug delivery : pressure and temperature activation approaches

Abstract

Η μεταφορά φαρμάκων με υπέρηχους αποσκοπεί στη βελτίωση της θεραπευτικής αποτελεσματικότητας με την αύξηση της μετάδοσης φαρμάκων και τη μείωση των παρενεργειών. Νέοι αγωγοί φαρμάκων έχουν τη δυνατότητα απελευθέρωσης του φαρμάκου με την εφαρμογή ενός εξωτερικού ερεθίσματος. Σκιαγραφικά υπερήχων (μικροφυσαλλίδες) που αρχικά αναπτύχθηκαν για σκοπούς απεικόνισης, μπορούν τώρα να φορτωθούν με φάρμακα είτε στο εσωτερικό τους είτε στο κέλυφος. Οι μηχανές υπερήχων υιοθετούν έναν διπλό ρόλο απεικόνισης και θεραπείας. Η απεικόνιση μικροφυσαλλίδων στην κυκλοφορία γίνεται με υπερήχους χαμηλής έντασης ενώ με υψηλή ένταση μπορούν να καταστρέψουν τις μικροφυσαλλίδες και να προκαλέσουν την απελευθέρωση φαρμάκων στην περιοχή ενδιαφέροντος. Λιποσώματα ευαίσθητα στη θερμοκρασία σχεδιάζονται για να απελευθερώνουν τα φάρμακα που εσωκλείουν κάτω από ήπια υπερθερμία (42 °C). Χορηγημένα ταυτόχρονα με σκιαγραφικά υπερήχων κάνουν δυνατή τη παρακολούθηση τους εντός της κυκλοφορίας του αίματος με τη χρήση διαγνωστικών υπερήχων. Υψηλή ένταση υπερήχων μπορεί επίσης να προκαλέσει υπερθερμία σε έναν όγκο μέσα στο σώμα και να καταφέρει έτσι στοχευόμενη θεραπεία φάρμακων από τα λιποσώματα. Αυτή η διατριβή ερευνά τη φυσική ακουστική και τη λεπτομερής απόκριση των μικροφυσαλλίδων σε υπερήχους που χρησιμοποιούνται στις θεραπευτικές εφαρμογές, σε μία προσπάθεια να γίνει καλύτερα κατανοητός ο μηχανισμός της αλληλεπίδρασης των μικροφυσαλλίδων με τους υπερήχους, το φάρμακο και τον ιστό και να παραχθούν έτσι οι βέλτιστοι παράμετροι για την στοχευόμενη θεραπεία με υπέρηχους. Αναπτύσσονται μέθοδοι και πειραματικές διατάξεις για την αποφυγή του κορεσμού των σημάτων και τη διερεύνηση των απεικονιστικών και θεραπευτικών ιδιοτήτων καινούργιων φάρμακο-φορτωμένων μικροφυσαλλίδων με τη χρήση μηχανής υπερήχων. Πειράματα με μικροφυσαλλίδες φορτωμένες με λιποσώματα που περιείχαν δοξορουβικίνη κατέδειξαν αυξημένη θεραπευτική αποτελεσματικότητα σε καρκινικά κύτταρα μετά την ενεργοποίηση των μικροφυσαλλίδων με υπερήχους. Παρουσιάζεται επίσης μια νέα πειραματική διάταξη η οποία δίνει για πρώτη φορά τη δυνατότητα διεξαγωγής in-vitro πειραμάτων για την ενεργοποίηση λιποσωμάτων ευαίσθητων στη θερμοκρασία. Οι ακουστικοί παράμετροι για τη επιθυμητή υπερθερμία υπολογίζονται θεωρητικά και επικυρώνονται πειραματικά. Με τη συγκεκριμένη διάταξη, επιτυγχάνεται απελευθέρωση 80% της δοξορουβικίνης από τα λιποσώματα. Η σημασία του πεδίου έντασης των μετατροπέων και των πιθανών επιρροών του στην στοχευόμενη θεραπεία με υπέρηχους τόσο με μηχανικούς όσο και με θερμικούς μηχανισμούς ενεργοποίησης διερευνάται.

Image-guided ultrasound-mediated drug delivery shows great promise in improving the therapeutic efficacy of chemotherapeutic agents by increasing the local drug deposition and reducing systemic side effects. Novel drug-loaded agents with the ability to release the encapsulated drug upon the application of an external stimulus are being developed. Microbubble ultrasound contrast agents (UCA), originally intended for imaging purposes, are now used as a drug delivery vehicle with the drugs encapsulated in the lumen or attached on their shell. Ultrasound scanners adopt a double role as both an imaging and a therapy device by tracking the microbubbles in circulation using low-amplitude US while high-amplitude ultrasound is used to destroy the microbubbles and trigger the drug release on site. Temperature sensitive liposomes (TSL) loaded with drugs are designed to release their payload with mild hyperthermia (42 °C). TSLs can be co-administrated with UCA and monitored in circulation using ultrasound. High intensity focused ultrasound can be used to induce hyperthermia in a tumor inside the body thus locally delivering the drug from TSLs. This thesis investigates the physical acoustics and detailed microbubble response to ultrasound used in therapeutic applications in an attempt to better understand the mechanism of microbubble interaction with ultrasound, the drug and tissue and derive the optimal conditions to use in ultrasound-enhanced drug delivery. In-vitro experimental setups and methods are developed for limiting signal saturation in order to accurately measure backscattered echoes from UCA and determine their response to a large range of acoustic pressures. The therapeutic efficacy of novel Doxorubicin liposome-loaded microbubbles following ultrasound activation is also evaluated on human glioblastoma cells. A novel in vitro experimental setup for the activation of drug loaded TSLs is presented allowing studies for the controlled release of TSL with ultrasound-induced hyperthermia to be carried out in vitro which to the best of our knowledge is the first of its kind. The acoustic conditions for the desired hyperthermia are derived theoretically and validated experimentally. Using our setup, an 80% release of doxorubicin from TSLs is achieved. The importance of the diffraction pattern produced by the transducer and its effect on both temperature and pressure activation approaches of drug delivery is addressed.