Forscher entwickeln neue „himbeerförmige“ Nanopartikel für die präzise Arzneimittelabgabe

Eine neu entdeckte Technik, über die im Journal berichtet wird Nanomaßstabbietet eine kostengünstige Möglichkeit, die Wirksamkeit bestehender Medikamente zu verbessern.

„Wenn Sie Sand nehmen und auf 500 Grad Celsius erhitzen, ändert sich nichts“, sagte Bradley Smith, Emil T. Hofman Professor of Science an der University of Notre Dame.

So war Smith, der auch Direktor der Integrated Imaging Facility von Notre Dame ist, verwirrt, als Canjia Zhai und Cassandra Shaffer, zwei Doktoranden in der Abteilung für Chemie und Biochemie, die in seinem Labor arbeiteten, entdeckten, dass sie die Struktur von Partikeln verändert hatten Kieselsäure – der Hauptbestandteil von Sand – bei 80 Grad Celsius, einer Temperatur ähnlich der einer Tasse Kaffee.

Die Entdeckung geschah zufällig. Die Partikel waren mikroskopisch klein – ein Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Aber wie ihre größeren Gegenstücke mit der Aufschrift „Kieselgel“ in Verpackungen an neuen Kleidungsstücken waren diese Partikel porös und konnten eine Chemikalie zurückhalten. In diesem Fall war diese Chemikalie ein blauer Farbstoff, der zum Nachweis von Tumoren bei Mäusen verwendet wurde.

Der neue Farbstoff, der in Smiths Labor entwickelt worden war, brauchte lange, um in die engen Poren der Partikel einzudringen. Damit sich die Moleküle schneller bewegen, erwärmten Shaffer und Zhai die Mischung bis kurz vor dem Sieden und ließen sie über Nacht stehen. Als sie am nächsten Tag zurückkehrten, konnten sie sehen, dass die Partikel blau geworden waren.

Um zu bestätigen, dass der Farbstoff vollständig infundiert war, nahmen Shaffer und Zhai die Hilfe von Tatyana Orlova und Maksym Zhukovskyi in Anspruch, Mikroskopieexperten an der Notre Dame Integrated Imaging Facility.

Orlova und Zhukovskyi erstellten hochauflösende Elektronenmikroskopiebilder, die zeigten, dass nicht nur der Farbstoff infundiert war, sondern auch die Silikapartikel selbst ihre Form verändert hatten. Die ursprünglichen Partikel waren einzelne Kugeln, die leicht mit Poren übersät waren, wie die Haut einer Orange. Die neuen Strukturen waren kugelförmig und bestanden aus kleineren, mit Farbstoff gefüllten Kügelchen. Sie hatten auch hier und da kleine Öffnungen, die einen hohlen Kern im Inneren enthüllten. Die Gesamteinheit glich einer hohlen Himbeere.

Nach der Überraschung der ersten Entdeckung kamen eine Reihe praktischer Fragen. Welche anderen Chemikalien könnten die Forscher in ähnliche himbeerförmige Partikel laden? Und, was am wichtigsten ist, würden diese Chemikalien auch dann aktiv bleiben, wenn ihre umgebenden Strukturen ihre Form verändert hätten?

Doktorand Jordan Chasteen griff diese Fragen auf und wiederholte den Prozess mit einem Krebsmedikament. Nach einer Reihe von Tests bestätigte er, dass das in die Partikel geladene Krebsmedikament immer noch aktiv war und Krebszellen abtöten konnte.

Diese Entdeckung bietet ein neues Werkzeug, um bestehende Medikamente wirksamer zu machen, sagte Smith.

„Was wir jetzt haben, ist eine Möglichkeit, den gesamten Katalog aminhaltiger Medikamente durchzugehen, und indem wir den einfachen Schritten folgen, die wir entdeckt haben, können wir neue Versionen bestehender Medikamente erstellen, die wirksamer sein oder weniger unerwünschte Nebenwirkungen haben könnten. “ er sagte.

Smith und seine Studenten haben festgestellt, dass sie durch subtile Änderungen im Beladungsverfahren die Dicke der Partikel variieren können, was eine ganze Reihe neuer Optionen zur Feinabstimmung der Partikel bietet, um Medikamente mit unterschiedlichen Raten freizusetzen. Die einzigartige Struktur des neuen Partikels könnte es auch ermöglichen, es mit mehr als einem Inhaltsstoff zu beladen – zum Beispiel einem Medikament in der äußeren Schicht und einem Farbstoff in der „Himbeere“ – um die Fähigkeit der Forscher zu verbessern, die Art und Weise der Medikamentenfreisetzung zu beobachten.

Darüber hinaus wirft das neue Partikel, so Smith, auch Licht auf ein wenig verstandenes biologisches Phänomen, das als Biomineralisation bekannt ist.

„Wir haben festgestellt, dass aminhaltige Medikamente bestimmte chemische Eigenschaften haben, die den Abbau- und Reformierungsprozess in Kieselsäure beschleunigen, und wir denken, dass es ähnlich ist wie in der Natur“, sagte er. Als Beispiel nennt Smith Diatomeen, eine Art mikroskopisch kleines Plankton, und ihre zarten, glasartigen Schalen aus Kieselerde.

„Diese Mikroorganismen haben Mechanismen, die es ihnen ermöglichen, Sand aufzunehmen und ihn in ihre Schalen umzubauen“, sagt er. „Und sie tun dies eindeutig bei relativ niedriger Temperatur unter Verwendung organischer Moleküle. Was wir entdeckt haben, ist möglicherweise ein Teil der Chemie hinter diesem Prozess.“

Während Smith und sein Labor weiterhin innovativ sind, lassen sie sich sowohl von der Natur als auch von Entdeckungen im Labor inspirieren. „Die allgemeine Lektion hier“, sagt er, „ist, dass wir im Labor entdecken können, wie natürliche Prozesse funktionieren, und dann können wir dieses Wissen nutzen und diese Prozesse nachahmen, um etwas völlig Neues zu entwerfen.“