Ultrasound Can Selectively Kill Cancer Cells

一项新技术可能为对抗癌症提供一种有针对性的方法:低强度的超声波脉冲已被证明可以选择性地杀死癌细胞,同时不伤害正常细胞。

超声波——一种频率比人类所能听到的频率还高的声波——以前曾被用作癌症治疗,尽管是一种宽泛的方法:高强度的超声波可以加热组织,杀死目标区域的癌症和正常细胞。现在,科学家和工程师们正在探索使用低强度脉冲超声(LIPUS)来创造一种更有选择性的治疗方法。

1月7日发表在《应用物理快报》上的一项研究描述了这种新方法在细胞模型中的有效性。这项工作背后的研究人员提醒说,这项研究还处于初级阶段,还没有在活体动物身上进行测试,更不用说在人类身上了,还有几个关键的挑战有待解决,但迄今为止的结果是有希望的。

研究始于五年前当加州理工学院# x27;迈克尔·奥尔蒂斯,弗兰克和奥拉李大理石航空机械工程教授,发现自己考虑是否癌细胞和健康之间的物理差异cells-things像大小、细胞壁厚度和大小可能某内细胞器的影响当受到声波振动和振动可能引发癌症细胞死亡。":我有灵感的时刻," Ortiz苦笑着说。

Gharib-Ortiz-Shapiro(左至右)加州理工学院首席研究员莫里·加里布,迈克尔·奥尔蒂斯,和米克尔·夏皮罗Mikail Shapiro下载完整图片

因此Ortiz建立了一个数学模型来观察细胞对不同频率和声波脉冲的反应。2016年,Ortiz和当时的研究生Stefanie Heyden(博士,14岁)一起在《固体力学和物理杂志》上发表了一篇论文,指出所谓的癌症细胞和健康细胞的共振增长率存在差距。这一差距意味着,从理论上讲,一种经过精心调音的声波可以导致癌细胞的细胞膜振动到破裂的程度,而健康细胞却毫发无损。Ortiz将这一过程命名为"oncotripsy",源于希腊语oncos(表示肿瘤)和tripsy(表示破坏)。

结果令Ortiz兴奋不已,他通过加州理工学院的Rothenberg创新计划(RI2)申请并获得了继续研究的资金。RI2是由已故加州理工学院受托人Jim Rothenberg和他的妻子Anne Rothenberg发起的捐赠项目,用于支持具有高商业潜力的研究项目。Ortiz还招募了博士生Erika F. Schibber (MS ‘ 16, PhD ‘ 19)参与这个项目,她的研究涉及到卫星振动的研究。

奥尔蒂斯随后邀请了航空和生物工程教授莫里·加里布(Mory Gharib, 1983年博士)参加他的研究小组会议。Gharib是一位多产的发明家,他领导了从实验室到市场的无数研究发展。例如,今年7月,他设计的一款人造聚合物心脏瓣膜首次植入人体,他还开发了一款监测心脏健康的智能手机应用;自2012年以来,他设计的用于预防青光眼相关失明的眼部植入物已经植入了50多万患者的眼睛。

出于对这个项目的兴趣,Gharib向他的一个顾问David Mittelstein提出了这个想法。作为加州理工学院和南加州大学凯克医学院(Keck School of Medicine of USC)的医学博士项目的一名研究生,Mittelstein已经在与Gharib合作研究上述的假体聚合物瓣膜。但是,在oncotripsy项目中,他看到了参与研究从理论概念到概念证明的机会。

Mittelstein David Mittlestein图像灯箱Mittelstein David Mittlestein下载完整图像

"Mory和Michael真的让我在这个项目中起了带头作用,设计和建造方法来在现实世界中测试Michael的理论,"说,他将在2月中旬在加州理工学院为他的论文答辩,然后回到南加州大学完成他的医学学位。

Mittelstein组建了一个团队来处理这个项目,聘请了加州理工学院化学工程教授、超声波专家米哈伊尔·夏皮罗。夏皮罗最近设计了一套系统,使超声波可以揭示体内的基因表达,还设计了一种可以反射声波的细菌,这样人们就可以通过超声波来追踪声波在体内的传播。

在夏皮罗的实验室里,Mittelstein开始对一种常见的肝癌——肝细胞癌进行各种频率和脉冲的超声波检测,并测量结果。

与此同时,加州理工学院理事Eduardo a . Repetto(98年博士)将Ortiz介绍给Peter P. Lee,他是Duarte市癌症和研究中心“希望之城”免疫肿瘤学系主任。作为一名医生兼科学家,李热衷于为病人提供新的治疗方法。当我听说它的时候,我觉得它很有趣,如果它成功了,那将是治疗癌症的革命性方法。其他“希望之城”的研究人员,包括博士后叶建(音)和肿瘤学家m·霍曼·费克拉扎德(M. Houman Fekrazad)也加入了这个项目。

Ye and Lee/City of Hope(从左至右)建业和希望之城的彼得·p·李:Eliza Barragan博士/希望之城影像灯箱Ye and Lee/City of Hope(从左至右)建业和希望之城的彼得·p·李:Eliza Barragan博士/希望之城下载完整图像

在安进公司和加州希望城生物医学研究计划的额外资助下,Mittelstein在希望城建立了一个试验性的仪器,以模仿加州理工学院的仪器,使他的同事不必在杜阿尔特和帕萨迪纳之间来回运送样品,就可以测试样品。随着时间的推移,Lee和他在希望之城的团队扩大了正在测试的癌细胞系的范围,从人类和老鼠身上提取的样本包括结肠癌和乳腺癌。他们还测试了多种健康的人体细胞,包括免疫细胞,以检查治疗如何影响这些细胞。

李博士说,他们希望超声波能以一种特殊的方式杀死癌细胞,同时激活免疫系统,让它攻击治疗后残留的癌细胞。

"癌症细胞是很不均匀的,即使在一个单一的肿瘤内," Lee解释说,所以几乎不可能找到一个范围的超声波设置,可以杀死每一个癌细胞。这将留下可导致肿瘤再生的存活细胞

人体每天有超过5000万个细胞死亡。这些死亡大多发生在细胞衰老并通过凋亡自然死亡的过程中。然而,有时细胞会因感染或损伤而死亡。一个健康的免疫系统可以区分细胞凋亡和损伤之间的区别,忽略前者,而冲向后者,攻击任何入侵的病原体。

如果超声波可以被用来造成细胞死亡,而不是被身体的免疫系统识别为损伤,而不是凋亡,这可能会导致肿瘤部位充满了白细胞,从而攻击剩余的癌细胞。

Schibber Erika F. Schibber图像灯箱

到目前为止,所有的测试都是在培养皿的细胞培养中进行的,但是加州理工希望之城的团队计划将测试扩展到实体肿瘤,并最终扩展到活体动物。回到Ortiz实验室,Schibber利用实验室测试的结果来完善数学模型,更深入地挖掘以确保研究人员确切地了解声波是如何杀死癌细胞的。

"说:“我们对不同的癌细胞如何在许多次的失调周期中振动和维持损伤有了更多的了解,这个过程我们称之为‘细胞疲劳’。”在夏皮罗的实验室里,Mittelstein发现微小气泡的形成(一种称为空化的过程)也会造成一些损害。总之,这些发展为理解实验中观察到的趋势提供了概念基础。

Mittelstein希望在他的论文答辩后继续参与这个项目,但最重要的是,他渴望看到研究的继续,希望有一天能找到有效的癌症治疗方法。

"这是一种令人兴奋的新癌症治疗的概念证明,它不需要癌症有独特的分子标记或与健康细胞分开定位作为目标。相反,我们可以根据癌细胞独特的物理特性来定位它们,",他说。

《应用物理快报》的论文题为"低强度脉冲超声选择性消融癌细胞。"的合著者包括加州理工学院本科生Ankita Roychoudhury和Leyre Troyas Martinez,后者是加州理工学院夏季本科生研究奖学金(SURF)的本科生。

上图:一个死亡的癌细胞(红色)旁边是健康的非癌细胞(绿色)。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.caltech.edu/about/news/ultrasound-can-selectively-kill-cancer-cells

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