9 февраля 2024, 12:00

Предложен новый способ безыгольных инъекций

Безыгольное введение медицинских препаратов в живые ткани позволяет снизить возможное заражение и возникновение боли у пациентов. Хотя известно о довольно большом количестве различных предложений, включая решения на основе лазеров, контролируемое введение лекарств без игл остается проблемой. Поэтому исследователи из МФТИ изучили возможности световых инструментов для решения этой задачи. 

Предложен новый способ безыгольных инъекций
а) схема экспериментальной установки; b) изображения частиц ватерита; с) микроскопические изображения частиц ватерита на стеклянной подложке: слева — до взаимодействия с фемтосекундным лазером, справа — после взаимодействия, демонстрируя отсутствие одной частицы

Со времени своего появления в 1970-х годах оптомеханические инструменты были значительно усовершенствованы и нашли применение в практических приложениях, где используются движение, ускорение и захват наночастиц светом. Оптические пинцеты оказались полезными в биологических исследованиях, поскольку они позволяют контролировать движение объектов микро- и наномасштаба, разворачивать белки и молекулы, измерять силы в масштабе пиконьютонов и могут предоставлять многие другие возможности.

«Движение и ускорение наночастиц светом имеют как фундаментальное, так и прикладное значение во многих дисциплинах. Одним из примеров является безыгольная инъекция биомедицинских нанокапсул в живые ткани. В нашей работе исследуется новый физический механизм лазерно-индуцированного ускорения частиц, основанный на аномальном оптотермическом расширении облучаемых частиц. Результаты исследования показали, что подобные световые инструменты эффективно справляются с переносом частиц в слои ткани и, таким образом, могут внести значительный вклад в развитие персонализированной медицины», — поясняет Денис Кислов, научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.

Эксперимент проводился с микрочастицами ватерита радиусом 2 мкм. Ватерит представляет собой модификацию карбоната кальция (CaCO3). Благодаря их высокой несущей способности, биоразлагаемости, биосовместимости, простоте и низкой стоимости изготовления микрочастицы ватерита являются чрезвычайно многообещающей неорганической платформой для доставки лекарств. Кроме того, эти микрочастицы могут быть спроектированы в различных формах, что влияет на их оптические и биологические функции. Пористые частицы также могут быть нагружены контрастными включениями, например металлическими нанозернами, что серьезно влияет на силу взаимодействия света и вещества в композите. Это перспективно для будущих схем оптомеханических манипуляций.

Исследователи нанесли микрокапсулы ватеритана на покровное стекло, которое разместили на инвертированном микроскопе. Частицы облучались фемтосекундными лазерными импульсами. Изображение ватерита, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения, представлено на рисунке 2b, на котором выделены шероховатости поверхности сфер размером 2 мкм. Частицы таких размеров были изготовлены для лучшей визуализации: для доставки лекарств благоприятны меньшие размеры, ниже ≈0,5 мкм, из-за аспектов клеточного поглощения. На рисунке 2c показано микроскопическое изображение частиц до и после взаимодействия с лазером, после которого один элемент исчез. Лазер был сфокусирован именно на этом месте. Поглощение света частицей приводило к дальнейшему тепловому расширению, что поднимало центр масс частицы и вызывало тем самым ускорение. Скорость частицы в опыте составила около 15 м/с. В качестве мишени были использованы яйцеклетки лягушек. Трехмерное флуоресцентное изображение после инъекции подтвердило успешное включение частиц в ткани.

Александр Шалин, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ, комментирует: «Мы исследовали возможность реализации схемы безыгольной инъекции путем оптотермического ускорения частицы к мишени. Были исследованы микрочастицы ватерита, являющиеся одной из наиболее перспективных платформ для доставки лекарств. Помимо предоставления частице достаточной скорости для проникновения в мишень, она должна быть отделена от поверхности. Чтобы преодолеть связь капсулы с подложкой без использования чрезмерной мощности лазера, мы использовали фемтосекундные импульсы. После наблюдения эффекта скачка частиц нашей командой была предложена и проанализирована физическая модель процесса. Будучи актуальной для биомедицинских приложений, наша концепция еще больше расширяет возможности оптических инструментов в приложениях для доставки лекарств». 

Таким образом была продемонстирована оптотермическая лазерная безыгольная инъекция в биологический материал. Дальнейшие исследования поспособствуют разработке светочувствительных нанокапсул, которые могут быть оснащены дополнительными оптическими и биомедицинскими функциями для доставки, мониторинга и контролируемой биомедицинской дозировки.

В исследовании, кроме ученых из МФТИ, принимали участие их коллеги из Университета Тель-Авива, Технического университета Риги и МГУ им. М. В. Ломоносова. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Работа опубликована в журнале Advanced Science.

 

Источник:  Пресс-служба МФТИ

Публикации из новости

Читайте также

Новый растительный препарат показал эффективность против кандидоза
При этом он не действует на полезные симбиотические бактерии человека, а значит, прием такого лекарства вызовет меньше побочных эффектов
Медицина
Микробиология
Фармация
30 июня 2023
Патоген приобрел антибиотикорезистентность без изменения ДНК
Малые дозы антибиотиков, не влияющие на рост и развитие туберкулезных микобактерий, привели к активации их специфических защитных генов, что сделало микроорганизмы суперпатогенами
Медицина
Микробиология
Фармация
10 мая 2023
Новый препарат смог подавить устойчивую к лекарствам пневмонию
При приеме в качестве профилактического средства он поможет снизить смертность пациентов на искусственной вентиляции легких, если те заразятся клебсиеллами — возбудителями опасных внутрибольничных инфекций, в том числе пневмонии
Медицина
Микробиология
Фармакология
25 апреля 2023
Оболочка из мела поможет вирусам бороться с болезнетворными бактериями в кишечнике
Исследователи включили фаги - вирусы бактерий - в оболочку из карбоната кальция, что позволило сохранить их активность до момента их попадания на "рабочее место", то есть в тонкий кишечник
Вирусология
Медицина
Микробиология
Фармация
14 апреля 2022
Наночастицы на основе серебра и полиаминокислоты повысили безопасность и эффективность антибиотиков
Их опробовали на полимиксинах - эффективных, но довольно токсичных пептидных антибиотиках. Их включение в состав наночастиц помогло подавить рост патогенных микроорганизмов, но не культур клеток человека.
Материаловедение
Микробиология
Наномедицина
30 марта 2022
Ученые создали новую систему для изучения гонококков
Новый микрочип поможет выявлять возбудителя гонореи, устойчивого к наиболее распространенным антибиотикам
Медицина
Микробиология
Молекулярная биология
Нанотехнологии
11 января 2022