Mikroblasen als vielversprechender Therapieansatz

Die gezielte Behandlung von Hirnerkrankungen wie Alzheimer, Parkinson oder Hirntumoren stellt eine besondere Herausforderung dar, da das Gehirn durch die Blut-Hirn-Schranke geschützt ist. Forschende suchen daher nach Wegen, Medikamente über den Blutkreislauf gezielt ins Gehirn zu transportieren. Mikroblasen, die auf Ultraschall reagieren, bieten hier einen vielversprechenden Ansatz. Sie sind kleiner als rote Blutzellen, mit Gas gefüllt und mit einer stabilisierenden Hülle aus Fettmolekülen umgeben. In die Blutbahn injiziert, lassen sie sich durch Ultraschall aktivieren, wodurch winzige Poren in der Zellmembran der Blutgefäßwand entstehen und das Medikament eindringen kann.

Visualisierung des Mechanismus

Bisher war unklar, wie genau Mikroblasen diese Poren erzeugen. Forschende aus der Gruppe von Outi Supponen, Professorin am Institut für Fluiddynamik der ETH Zürich, konnten nun erstmals den zugrunde liegenden Mechanismus demonstrieren. „Es gelang uns zu zeigen, dass sich die Mikroblasen unter Ultraschall verformen, sodass winzige Flüssigkeitsstrahlen, sogenannte Mikrojets, entstehen. Diese durchdringen die Zellmembran", erklärt Marco Cattaneo, Doktorand bei Supponen und Erstautor der Studie.

Flüssigkeitsstrahlen mit hoher Geschwindigkeit

Die Mikroblasen sind mikrometergroß und vibrieren unter Ultraschallbestrahlung mit hoher Frequenz. Dies erschwert die Beobachtung des Prozesses. „Die meisten bisherigen Studien haben sich den Vorgang durch ein herkömmliches Mikroskop von oben herab betrachtet. Damit sieht man aber nicht, was zwischen Mikroblase und Zelle passiert", erläutert Cattaneo. Daher entwickelten die Forschenden ein spezielles Mikroskop mit 200-facher Vergrößerung und kombinierten es mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, die bis zu zehn Millionen Bilder pro Sekunde aufnimmt.

Für ihre Experimente nutzten sie ein In-vitro-Modell, bei dem Gefäßwandzellen auf einer Kunststoffmembran wuchsen. Diese wurde als Abdeckung auf eine Flüssigkeitskammer mit einem Modellmedikament gelegt. Eine gasgefüllte Mikroblase stieg automatisch zur Zellmembran auf und wurde durch einen kurzen Ultraschallimpuls in Schwingung versetzt.

Präzise Kontrolle durch Ultraschall

„Bei genügend hohem Ultraschalldruck schwingen die Mikroblasen nicht mehr kugelförmig, sondern verformen sich zu regelmäßigen, nicht kugelförmigen Mustern", erläutert Supponen. Die zyklisch schwingenden "Lappen" dieser Muster können tief genug einsinken, um starke Flüssigkeitsstrahlen zu erzeugen, die die gesamte Blase durchqueren und auf die Zelle treffen. Diese Mikrojets bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 200 km/h und können die Zellmembran punktgenau durchdringen, ohne die Zelle zu zerstören.

Potenzial für medizinische Anwendungen

„Ein faszinierender Aspekt ist, dass dieser Mechanismus bereits bei niedrigen Ultraschalldrücken von etwa 100 kPa auftritt", sagt Supponen. Dieser Druck entspricht dem atmosphärischen Luftdruck, der uns umgibt. Die Forschenden kombinierten ihre visuellen Beobachtungen mit theoretischen Modellen und stellten fest, dass Mikrojets das größte Potenzial für eine gezielte Zellmembranperforation aufweisen. Cattaneo betont: „Mit unserem Laboraufbau haben wir nun einen besseren visuellen Zugang zu den Mikroblasen und können die Interaktion zwischen Zellen und Mikroblasen genauer charakterisieren."