不用手術就可以把藥送進大腦的新技術

不管是什麼大腦的疾病，把藥送進大腦都是一個挑戰，因為 BBB (blood-brain barrier)。侵入性的方式通常是動手術，在腦部開一個洞，然後從洞口注射，因此只能治療一小區，而且風險較高。不過，這兩年有兩篇論文，分別用了類似的方法打開 BBB 把藥送進去。雖然大多數人可能會比較希望用非侵入性的方法，但非侵入性的效果不佳。

用脈衝雷射打開 BBB

德州大學(University of Texas)和其西南醫學中心(Southwestern Medical Center)的研究團隊發明了一個方法，可以把藥送進大腦。他們針對的疾病是大腦的惡性膠質母細胞瘤(glioblastoma, GBM)，通常被診斷為該癌症後的存活時間只有 15 到 18 個月，且目前的治療方式，包括手術、化療和放射治療的效果都不好，化療藥物因為 BBB 很難進入大腦。

德州大學的研究團隊利用針對血管緊密型連結(tight junction)的黃金奈米粒(gold nanoparticles, AuNPs)把藥物送進腦部，他們先把黃金奈米粒輸入血液中後，再用脈衝雷射(laser pulses)去激化黃金奈米粒，脈衝雷射可以穿過頭殼，黃金奈米粒再被激化後會產生熱機械波(thermomechanical waves)，短暫地讓 BBB 產生縫隙，使藥物可以滲透進大腦。在他們的老鼠實驗中，用治療卵巢癌、乳癌和肺癌的化療藥物 paclitaxel (Taxol) 做實驗，因為這個藥物無法穿過 BBB，但在用了脈衝雷射後，它順利進入大腦，老鼠腦中的腫瘤變小了，存活率也增加了。

他們用了兩種基改的母鼠模型做實驗，皆帶有膠質母細胞瘤的兩個重要病徵，包括分散浸潤性腫瘤(diffusely infiltrative tumor margin)和血管增生核心(angiogenic core)。在浸潤式腫瘤老鼠模型中(diffuse single-cell infiltration)，雷射脈衝加藥物的治療方式讓腫瘤變小了 5-7 倍，只有黃金微粒、沒有藥物和脈衝的腫瘤是 47 mm3，只有藥物沒有脈衝的是 44 mm3，脈衝加藥物則是變小到只剩 4 mm3，存活率也增加了 50%，壽命從 40 天延長到 60 天。在血管增生腫瘤老鼠模型中(rapidly expanding angiogenic mass)，雷射脈衝加藥物的治療方式讓腫瘤變小了 2.2-2.6 倍，只有黃金微粒、沒有藥物和脈衝的腫瘤是 90 mm3，只有藥物沒有脈衝的是 77 mm3，脈衝加藥物則是變小到只剩 36 mm3，存活率增加了 33%，生命也從 18 天延長到 24 天。

用超音波打開 BBB

雖然目前已知集中超音波開洞術(FUS-BBBO, focused ultrasound blood-brain barrier opening)可以短暫打開 BBB，但即使打開了，AAV 還是不容易進去，需要使用大量的病毒，而且也沒有精準性，無法控制它去需要治療的地方。

美國米大學(Rice University)由 Jerzy Szablowski 帶領的研究團隊開發了一個非侵入性治療的方法，是透過改造 AAV 改變病毒外層的殼蛋白(capsid protein)，使它可以去指定的地方，再用超音波打開那個區域的 BBB，透過這個方式可以降低病毒劑量，並且有效的讓它們去該去的地方。

他們先建立一個帶有各種 AAV9 殼蛋白的病毒庫，把它們打進老鼠裡，兩個禮拜後解剖老鼠大腦分析，看哪個突變進入大腦的效果最好，再看其大腦區域性，挑出 35 個精準度最好的，再從中挑出 5 個最常見的蛋白序列，然後和沒有突變的 AAV9 做比較。

除此之外，他們還分析了病毒的脫靶率(off-target rate)，還有進到肝臟的病毒量，發現其中有 4 個突變病毒的效果最好，而且沒有脫靶效應，進到肝臟的量也很少，其中以 AAV.FUS 3 最少，比 AAV9 少了 6.8 倍。

他們對 AAV.FUS 3 做進一步分析，看低劑量效果如何，發現即使降低了十倍進入神經細胞的量還是 AAV9 高了 4.6 倍 ，另外在標靶大腦特定區域的精準度上也不錯，其中針對海馬迴的效果增加最多。

也就是說，透過這個技術，不但可以增加病毒標靶特定細胞的精準度，還可以在低量的情況下有效地把病毒送進細胞裡，並且沒有脫靶效應，降低最其他器官的傷害。



Articles:

Drug-Delivery Technique for Brain Cancer Shows Growing Promise - News Center | The University of Texas at Dallas

Researchers pioneer noninvasive gene therapy for brain disorders | Rice University


Papers:

Q Cai, X Li, H Xiong et al. Optical blood-brain-tumor barrier modulation expands therapeutic options for glioblastoma treatment. Nat Commun (2023) DOI: 10.1038/s41467-023-40579-1

HR Li, M Harb, JE Heath et al. Engineering viral vectors for acoustically targeted gene delivery. Nat Commun (2024) DOI: 10.1038/s41467-024-48974-y

用超音波讓動物進入冬眠狀態

有些哺乳動物和鳥類會在冬天的時候進入冬眠狀態來降低能量消耗，其期間牠們的體溫和新陳代謝率皆會下降，使其能夠在困苦的環境中存活，例如極端寒冷或缺乏食物等。二十世紀 1960 年代時，有人提議當科學家在進行太空飛行時，或當人在患有危及性命的重大疾病時，可以讓其進入冬眠狀態，但在當時並沒有一種安全的方式可以讓人進入冬眠狀態。

去年有篇刊在 Nature Communications 的研究顯示，用深層腦部刺激(deep brain stimulation, DBS)去刺激 WSNs (warm-sensitive neurones) 神經細胞，可以快速降低老鼠的核心體溫至 32-34°C，使牠們進入類似冬眠的狀態。在缺氧性中風的老鼠模型中，這個方法可以達到治療效果。不過，DBS 是侵入試治療。

最近，聖路易華盛頓大學(Washington University in St. Louis)的研究團隊則是用超音波去誘發冬眠狀態，這是第一個非侵入性且安全的方式。他們用超音波去刺激腦部的下視丘視前區(hypothalamus preoptic area, POA)，一個控制體溫和代謝的地方，使小鼠進入了冬眠的狀態。

超音波刺激可以系統性的抑制代謝和能量產生，在刺激了老鼠下視丘視前區的神經細胞後，老鼠的體溫會持續約一小時下降約 3C，維持在 33C 左右，心跳下降約 47%。除此之外，牠們的代謝模式也從使用碳水化合物和脂肪為能量，轉變成只使用脂肪為能量來源，這是冬眠的主要特徵，可以在室溫下就觀察到。隨著超音波的壓力和持續時間增加，體溫降低和新陳代謝減慢的程度也增加，這稱為超音波誘導的低溫和低代謝(ultrasound-induced hypothermia and hypometabolism, UIH)。



研究團隊在老鼠進入 UIH 狀態後，用 RNA-Seq 去定序 POA 神經細胞裡的基因表現，發現超音波會活化下視丘視前區神經元中的 TRPM2 離子通道對超音波很敏感，K/O TRPM2 基因的話會抑制 UIH，表示 TRMP2 在引發 UIH 中扮演著重要的角色。

這個研究發現，單次的超音波刺激就足以誘發長達一個小時的低溫和低代謝狀態，每次的超音波刺激都會增加神經元活動，與小鼠體溫的變化相吻合。當超音波關掉後，老鼠的體溫就會恢復正常。在不冬眠的大鼠身上，用超音波刺激下視丘視前區後也有觀察到皮膚溫度下降的情形，特別是在棕色脂肪組織區域，而核心體溫也下降約 1C，類似於自然的冬眠狀態。

沒想到誘發冬眠狀態那麼簡單嗎？不知道是否可以應用在人類身上。



Articles:

Induction of a torpor-like state with ultrasound - Washington University in St. Louis

ScienceDaily | Induction of a torpor-like state with ultrasound: Chen's team used ultrasound to safely, noninvasively induce a torpor-like state in mice, rats


Publications:

Y Yang, J Yuan, RL Field et al. Induction of a torpor-like hypothermic and hypometabolic state in rodents by ultrasound. Nat Metab (2023) DOI: 10.1038/s42255-023-00804-z