"Замыкание цикла" стало одним из жаргонных клише делового мира. Но в мире иммунотерапии рака замыкание цикла может стать инновацией, которая откроет мощные методы лечения трудноизлечимых видов рака головного мозга, называемых глиобластомами.

Исследователи из Технологического института Джорджии и Университета Эмори разработали систему, которая использует микропузырьки, индуцируемые ультразвуком, чтобы помочь мощной иммунотерапии воздействовать на опухоли головного мозга, и специальный алгоритм для непрерывной точной настройки пузырьков для достижения максимального эффекта.

Их система фокусированного ультразвука с замкнутым контуром доказала свою эффективность в повышении показателей выживаемости на мышиных моделях, включая удаление всей опухоли по крайней мере в одном случае. Они описали свой подход 18 ноября в журнале Science Advances.

"С помощью сфокусированного ультразвука с замкнутым контуром мы наблюдали статистически значимое улучшение доставки анти-PD-1, который является антителом, которое мы используем для нашей иммунотерапии. Мы также наблюдали повышенную эффективность комбинированного лечения в исследовании выживаемости", - сказал Хохен "Генри" Ли, аспирант Школы машиностроения имени Джорджа У. Вудраффа и первый автор статьи.

"Недавние исследования показали, что сфокусированный ультразвук в сочетании с микропузырьками может улучшить эту технологию иммунотерапии. Мы разработали алгоритм, который управляет сфокусированным ультразвуком, чтобы максимизировать комбинированный эффект этих двух технологий ".

PD-1 - это ключевой белок в Т-клетках иммунной системы, который служит выключателем, не позволяя Т-клеткам по ошибке атаковать нормальные, здоровые клетки. Однако иногда PD-1 останавливает Т-клетки от нацеливания на раковые клетки. Оставленные без внимания иммунной системой организма, эти клетки затем могут размножаться.

Препараты против PD-1 блокируют белок от выключения Т-клеток, освобождая их для атаки на опухоли. Они стали мощным оружием, особенно против меланомы и некоторых видов рака легких, но их эффективность против опухолей головного мозга разочаровывает — отчасти потому, что доставка лекарств через гематоэнцефалический барьер является серьезной проблемой.

Система, разработанная Ли совместно с адъюнкт-профессором Костасом Арванитисом, предназначена для доставки анти-PD-1 терапии через гематоэнцефалический барьер в микроокружение опухоли с помощью крошечных пузырьков диаметром в одну тысячную миллиметра. Сфокусированный ультразвук заставляет пузырьки колебаться, что приводит к открытию гематоэнцефалического барьера, чтобы терапевтический агент мог достичь опухоли.

Ключевым нововведением исследователей в этом исследовании является алгоритм, который постоянно измеряет эхо-сигналы пузырьков, чтобы поддерживать оптимальную силу, отслеживая концентрацию пузырьков и не повреждая кровеносные сосуды. Это замкнутый цикл: алгоритм принимает постоянный поток данных о микропузырьках и соответствующим образом настраивается. Другим системам микропузырьков не хватает такого уровня контроля.

"Нам нужно действительно настроить давление или силу, которую мы прикладываем к этим пузырькам с помощью ультразвука, на очень, очень высоком уровне точности, и это то, что сделал Генри", - сказал Арванитис, который совместно назначен в школу Вудраффа и отдел биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Коултера. "Если у нас будет более низкая вибрация, мы не добьемся желаемого эффекта. Если у нас будет более высокий уровень, мы можем нанести ущерб. На самом деле речь идет о настройке этих микро- и наноразмерных изменений радиуса пузырька и выполнении этого совершенно неинвазивно ".

Исследователи создали сфокусированную ультразвуковую систему, которая использует микропузырьки, чтобы открыть путь для иммунотерапевтического препарата против PD-1 к опухолям головного мозга. Они разработали алгоритм, который принимает постоянный поток данных о микропузырьках и соответствующим образом настраивает их для оптимального воздействия. Другим системам микропузырьков не хватает такого уровня контроля.

По словам Арванитиса, адаптивность системы команды приводит к повышению профиля безопасности и способности точно настраивать методы лечения для любого потенциального пациента. Алгоритм смог обнаружить сигналы, указывающие на проблему, и скорректировать их, поддерживая правильные колебания микропузырька в динамической среде, где грань между стабильностью и сильным коллапсом пузырька очень тонка.

"Замыкание цикла и отслеживание кинетики пузырьков в режиме реального времени имеет решающее значение для этого исследования и перехода в клинику, где каждый раз у вас появляется новый пациент и новый случай", - сказал Арванитис. "Когда мы разговариваем с нашими коллегами в клинике, они говорят нам, что у вас так много ограничений, и вам действительно нужно быть в состоянии принимать быстрые решения без ущерба для безопасности и эффективности. Вот что мог бы предложить этот контроллер".

Среди других авторов статьи были профессор школы Вудрафф Ф. Левент Дегертекин, постдокторант Ютонг Го, постдокторант Джеймс Л. Росс из отделения микробиологии и иммунологии Эмори и Скотт Шон из Массачусетской больницы общего профиля.

Арванитис сказал, что, хотя они сосредоточились на разработке алгоритмически управляемого подхода к иммунотерапии рака мозга, он обещает улучшить доставку лекарств и для других видов заболеваний мозга, таких как болезнь Альцгеймера или Паркинсона.

"Поскольку это настолько безопасно, это дает вам возможность проводить лечение несколько раз и в течение более длительного периода. Это может быть ключом к нейродегенеративным заболеваниям", - сказал он.

На данный момент команда продемонстрировала систему на моделях мелких животных, но они сказали, что их подход легко масштабируется для работы с существующими клиническими системами. Они надеются сотрудничать с коллегами, чтобы включить их подход в текущие ранние клинические испытания, где они могли бы дополнительно проверить безопасность и эффективность для пациентов-людей.

"Мы продолжим совершенствовать метод и инструментарий в ближайшие годы, чтобы сделать этот подход более эффективным и потенциально более широко применимым", - сказал Дегертекин.