Cover story｜超声触发纳米液滴在大脑中实现亚毫米级精确给药
Cover story｜超声触发纳米液滴在大脑中实现亚毫米级精确给药
作用于神经调节的药物输送需要亚毫米的空间精度，以针对特定的大脑解剖结构。在许多神经调节程序中，空间精度是至关重要的，既要确保预期的功能改变，又要防止神经毒性。例如，当系统地提供抗癫痫药物时，与致痫活性无关的大脑区域也会暴露出来，这可能导致耐药性、神经毒性和最终的神经元死亡。
近年来，微气泡一直被用作超声造影剂，它的高回声性允许静脉注射微气泡被检测并在体内成像，一般由PEG脂质外壳和全氟碳气体核组成的，以帮助延长血液循环。然而，这种稳定性只能将它们的寿命延长到几十分钟。与此相反，使用液体全氟碳核组成的纳米液滴具有更长的半衰期和稳定的载药性，在足够高的超声压力下，超高温液体填充纳米液滴汽化成气态的微米级气泡，可以产生强谐波和宽带发射，并通过多种机制触发被包裹分子的释放，包括脂质脱落或外壳破坏。
该团队已经研究了系统注射纳米液滴装载麻醉剂，利用聚焦超声（FUS）通过完整的血脑屏障(BBB)局部麻醉特定的大脑区域。基于此，通过缩合方法将脂壳低沸点纳米液滴装载尼罗蓝染料，其中填充液体状态的十氟丁烷(DFB)，制备成超声触发的纳米液滴。尾部静脉注射，利用RK50系统(FUS Instruments Inc.)在一定超声压力下触发液滴气化，释放染料并成功穿透血脑屏障，实现了无创脑部亚毫米精度的药物递送。
图1. （A）超声响应纳米液滴递送系统纳米液滴及组成示意图，（B、C）跟踪分析的粒径分布（D）2.4MPa压力下水听器检测聚焦超声系统的频谱和电压轨迹（E）体外实验示意图（F）大鼠体内实验示意图
该研究首先在体外组织模型中模拟递送，当暴露在超声波下时，装载蓝色纳米液滴显示出压力依赖的染料递送。超声压力越大，染料传递的面积和强度也越大。在压力范围(0.0-3.5 MPa)下荧光团的体外释放，并比较了次谐波(f0/2)、基波(f0)、超谐波(3f0/2)和二次谐波(2f0)的频率发射幅度。
纳米液滴在大鼠脑内的体内评估时，表现出压力依赖的染料递送。染料输送达到了亚毫米的精度。交付染料的区域可以在直径0.4到1.5毫米之间调整，这取决于超声波压力。值得注意的是，在2.5 MPa及以上时，体内的次谐波辐射也有所下降。这个上限可能是气泡屏蔽或纳米液滴补充不足的影响，讨论部分将进一步描述。这里将汽化阈值定义为每次重复检测染料传递时的最低压力。
表1. 总结了体外/体内的汽化结果，显示了持续的染料输送和最大的染料输送所必需的声压、谐波信号(平均基线μ的倍数表示)；增量（标准差σ的倍数表示)
然后，在2.4 MPa超声作用下，通过超声束轴向采样：6张冷冻组织切片(40 μm厚，80 μm分离)，证实了尼罗蓝染料在脑深部的分布与超声光束的轴向压力分布一致。为了评估纳米液滴的生物分布，大脑、心脏等主器官和对照组织相比，结果显示给予超声的局部脑组织荧光强度增加。
图2. 荧光团在大鼠脑深部的分布和1.66 MHz换能器的横向/轴向压力场图
此外该研究将血脑屏障穿透染料尼罗蓝(354 Da, LogP 2.7)与尼罗红(318 Da, LogP 3.8)和疏水量子点(CdSe/ZnS, 5nm直径)进行比较，以从纳米液滴中绘制药物在大脑中的传递图谱。在2.4 MPa下超声，显示仅NBND有显著的染色。
图3. 比较全氟碳纳米滴在脑内的药物传递的荧光
最后探讨了体内模型的局限性和屏蔽效应：超过一定压力，染料释放明显受限，特别是在体内，只有一个大于2.5 MPa的目标显示出可检测到的荧光传递，亚谐波辐射也被发现在体内高压时下降。该限制可能由于微泡屏蔽效应、皮肤聚焦前空化和聚焦区纳米液滴补充不足造成的，未来将研究通过减少脉冲长度和重复频率来减轻气泡屏蔽效应。
综上，该研究证明装载小亲脂剂的低沸点、超热的纳米液滴，可以通过临床相关的超声参数触发，并以亚毫米精度在大脑中实现高度定位传输。液滴汽化的声学发射具有监测和预测成功给药的潜力。
参考文献
Lea-Banks, Harriet, and Kullervo Hynynen. “Sub-millimetre precision of drug delivery in the brain from ultrasound-triggered nanodroplets.” Journal of controlled release : official journal of the Controlled Release Society vol. 338 (2021): 731-741. doi:10.1016/j.jconrel.2021.09.014
