Non-invasive delivery of stealth, brain-penetrating nanoparticles across the blood − brain barrier using MRI-guided focused ultrasound

血脑屏障 微气泡 薄壁组织 中枢神经系统 药物输送 医学 药物输送到大脑 生物医学工程 药理学 超声波 病理 材料科学 纳米技术 放射科 内科学
作者
Elizabeth Nance,Kelsie Timbie,G. Wilson Miller,Ji Sun Song,Cameron Louttit,Alexander L. Klibanov,Ting Yu Shih,Ganesh Swaminathan,Rafael J. Tamargo,Graeme F. Woodworth,Justin Hanes,Richard J. Price
出处
期刊:Journal of Controlled Release [Elsevier BV]
卷期号:189: 123-132 被引量:204
标识
DOI:10.1016/j.jconrel.2014.06.031
摘要

The blood-brain barrier (BBB) presents a significant obstacle for the treatment of many central nervous system (CNS) disorders, including invasive brain tumors, Alzheimer's, Parkinson's and stroke. Therapeutics must be capable of bypassing the BBB and also penetrate the brain parenchyma to achieve a desired effect within the brain. In this study, we test the unique combination of a non-invasive approach to BBB permeabilization with a therapeutically relevant polymeric nanoparticle platform capable of rapidly penetrating within the brain microenvironment. MR-guided focused ultrasound (FUS) with intravascular microbubbles (MBs) is able to locally and reversibly disrupt the BBB with submillimeter spatial accuracy. Densely poly(ethylene-co-glycol) (PEG) coated, brain-penetrating nanoparticles (BPNs) are long-circulating and diffuse 10-fold slower in normal rat brain tissue compared to diffusion in water. Following intravenous administration of model and biodegradable BPNs in normal healthy rats, we demonstrate safe, pressure-dependent delivery of 60nm BPNs to the brain parenchyma in regions where the BBB is disrupted by FUS and MBs. Delivery of BPNs with MR-guided FUS has the potential to improve efficacy of treatments for many CNS diseases, while reducing systemic side effects by providing sustained, well-dispersed drug delivery into select regions of the brain.
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