Bubbles for bone: acoustic stimulation for drug delivery in fracture repair.

骨气泡:骨折修复中用于药物输送的声刺激。

基本信息

  • 批准号:
    1946034
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Studentship
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2017 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Bone fractures and their associated complications are a major societal problem that is set to get significantly worse as our population ages. Delayed bone healing and extended rehabilitation contribute to the 39 billion Euros per year cost of bone injuries to the European economy, and approximately 150,000 wrist, vertebral and hip fractures cost the UK £2.1 billion annually. A proportion of bone fractures fail to heal appropriately with current clinical interventions, which include mechanical fixation or, more rarely, biomaterials and/or bioactive agents. New therapies are therefore urgently required. As yet, there is no clinically approved, systemic therapy for bone fracture. We are developing such an approach. In preliminary work, we have found that nanoparticles (NPs) of known size accumulate at injury sites during specific windows post-fracture. We have used this approach to deliver therapeutic molecules to the injury site selectively at different phases of fracture healing without disrupting the healing tissue, the integrity of which is often critical to satisfactory outcomes. Aside from enabling the passive release of drugs at fracture sites, these observations now provide the exciting opportunity to remotely and actively control drug release and tissue stimulation in bone repair. In this studentship, we propose to attempt this by delivering ultrasound-responsive bubbles to the fracture site. Ultrasound stimulation of bubbles causes them to resonate. In our preliminary data, we have shown that this results in the release of bubble-associated drugs, improved uptake of compounds in nearby cells, and mechanostimulation of cells through either direct membrane interaction or via shear of extracellular media. More recently we have found that acoustically-responsive bubbles can be fabricated in the nanometre size range and that they accumulate at fracture sites. This means we will be able to localise drug-containing nanobubbles at bone fracture sites, before remotely stimulating them with ultrasound to both release their cargo and mechanostimulate the surrounding tissue.In this studentship, the student will first develop and optimise nanobubbles and ultrasound-responsive nanodroplet formulations (which cavitate to form microbubbles upon ultrasound stimulation) to demonstrate that these agents can simultaneously be used to deliver drugs and to mechanostimulate stem cells, inducing their differentiation in in vitro models. The student will then determine which size and chemical characteristics lead to localisation of bubbles to the fracture callus post-injury. Finally, the student will test in vivo whether acoustic stimulation of fracture callus-localised bubbles affects the rate and quality of bone fracture healing. The student will train with experts in stem cell biology, mechanobiology, nanotechnology and ultrasonics from established experts at University of Southampton
骨折及其相关并发症是一个主要的社会问题,随着我们人口的老龄化,这个问题将变得更加严重。延迟的骨骼愈合和延长的康复造成了欧洲经济每年390亿欧元的骨损伤成本,以及大约15万个手腕、脊柱和髋部骨折每年花费英国21亿英镑。目前的临床干预措施,包括机械固定,或者更罕见的是,使用生物材料和/或生物活性物质,未能适当地愈合一部分骨折。因此,迫切需要新的治疗方法。到目前为止,还没有临床批准的全身治疗骨折的方法。我们正在开发这样一种方法。在初步工作中,我们发现,在特定的窗口骨折后,已知大小的纳米颗粒(NPs)在损伤部位积累。我们使用这种方法在骨折愈合的不同阶段选择性地将治疗分子输送到损伤部位,而不破坏愈合组织,愈合组织的完整性通常对满意的结果至关重要。除了能够在骨折部位被动释放药物外,这些观察现在还提供了远程和主动控制骨修复中的药物释放和组织刺激的令人兴奋的机会。在这项研究中,我们建议通过将超声反应气泡输送到骨折部位来尝试这一点。超声波对气泡的刺激会使它们产生共振。在我们的初步数据中,我们已经表明,这导致了气泡相关药物的释放,改善了附近细胞对化合物的摄取,并通过直接膜相互作用或通过细胞外介质的剪切对细胞进行了机械刺激。最近,我们发现,可以在纳米尺寸范围内制造具有声学响应的气泡,并且它们会在断裂部位堆积。这意味着我们将能够在骨折部位定位含药纳米气泡,然后用超声波远程刺激它们释放其货物并机械刺激周围组织。在本课程中,学生将首先开发和优化纳米气泡和超声波响应纳米液滴配方(超声刺激时空化形成微泡),以证明这些试剂可以同时用于输送药物和机械刺激干细胞,在体外模型中诱导它们分化。然后,学生将确定哪些大小和化学特征会导致损伤后骨折骨痂中气泡的定位。最后,学生将在体内测试骨折骨痂局部气泡的声刺激是否会影响骨折愈合的速度和质量。这名学生将与南安普顿大学资深专家在干细胞生物学、机械生物学、纳米技术和超声波方面的专家进行培训

项目成果

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