Ingenieure entwickeln Nanoträger für Medikamente, die die Abwehrlinien der Lunge umgehen

Ein Arzneimittelmolekül, das die natürliche Abwehr der Lunge umgeht und dadurch Krankheiten heilen soll, bietet Menschen mit chronischen oder tödlichen Atemwegserkrankungen neue Hoffnung, sagen seine Entwickler, Forscher im Soft Biomatter Lab von Assistenzprofessor Liheng Cai an der School of Engineering and Applied Science der University of Virginia.

Cai und sein Team, darunter der Doktorand der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Baiqiang Huang und der Doktorand der Biomedizintechnik Zhi-Jian He, demonstrierten erfolgreich die Wirksamkeit des Nanoträgers anhand des laboreigenen „Mikro-Atemwegs des Menschen“. Das Gerät erfasst die geometrischen und biologischen Merkmale der menschlichen Atemwege.

Sie beschreiben ihre Ergebnisse in einem Artikel veröffentlicht im Journal ACS Nano.

Unsere Verteidigung hinter sich lassen

Unsere Lungen haben Schutzschichten, die Krankheitserreger oder eingeatmete Partikel abfangen und aus den Atemwegen transportieren, um zu verhindern, dass wir krank werden. Jedes Mal, wenn Sie sich die Nase putzen, arbeitet dieses System.

„Leider verhindern diese gleichen Barrieren auch, dass Medikamente die Zielzellen erreichen, was die Behandlung von Krankheiten wie Asthma, chronisch obstruktiver Lungenerkrankung und Lungenfibrose erschwert“, sagte Huang.

Das neue Polymer heißt Bottlebrush-Polyethylenglykol oder PEG-BB. Es bewegt sich schnell durch die Atemwege, indem es Mucine nachahmt, ein natürliches Glykoprotein, das für die Eigenschaften von Schleim verantwortlich ist und die gleiche Flaschenbürstenform hat – ein zentrales Rückgrat mit einem nach außen gerichteten Borstendickicht.

„Wir dachten, dass die Flexibilität und wurmartige Geometrie des Flaschenbürstenträgers es ihm ermöglichen würde, durch das dichte Netz aus Schleim und Gelen rund um die Flimmerhärchen zu gelangen und von den Epithelzellen aufgenommen zu werden, wo die Medikamente wirken müssen“, sagte Huang.

Zilien sind haarähnliche Strukturen auf der Oberfläche von Zellen. Sie bewegen sich in Verbindung mit Schleim, um Fremdkörper abzustoßen und auszustoßen.

Um ihre Hypothese zu testen, kultivierte das Team menschliche Atemwegsepithelzellen in ihrem Gerät. Sie führten fluoreszierende PEG-BB-Moleküle aus zwei Richtungen in die Zellen ein.

Anschließend verwendeten sie einen Farbstoff, um die Schleim- und Periziliarschichten zu durchdringen – bei Letzteren handelt es sich um das Gel, das die Zilien umhüllt. Die Epithelzellwände, die dabei halfen, die Grenzen des Epithels zu markieren, färbten sie nicht.

Mithilfe eines Spezialmikroskops und eines abgedunkelten Raums zur Schärfung der Bilder konnten sie erkennen, wie gut sich die leuchtenden Flaschenbürstenmoleküle durch die Zellen bewegt hatten.

Eine Reihe von jüngsten Erfolgen

„Die mikromenschlichen Atemwege sind im Grunde ein gleichwertiger Ort für das Zellwachstum“, sagte Huang.

„Die biologischen Ähnlichkeiten ermöglichen es uns, die Abwehrkräfte der menschlichen Lunge zu untersuchen, ohne Lebewesen zu schaden“, fügte Cai hinzu, dessen Labor auf die Entwicklung neuartiger Flaschenbürstenpolymere für eine Reihe von Anwendungen spezialisiert ist, von denen viele die Grenzen der Präzisionsmedizin erweitern.

So hat sein Bioprinting-Programm beispielsweise vor Kurzem den möglicherweise ersten 3D-Baustein für den Organdruck auf Abruf produziert.

Die PEG-BB-Ergebnisse sind ein weiterer Erfolg des Labors.

„Wir glauben, dass diese Innovation nicht nur eine bessere Behandlung von Lungenerkrankungen mit weniger Nebenwirkungen verspricht, sondern auch Möglichkeiten für die Behandlung von Erkrankungen der Schleimhäute im ganzen Körper eröffnet“, sagte Cai.

Der nächste Schritt des Labors besteht darin, die Fähigkeit von PEG-BB zu testen, Arzneimittelmoleküle über eine Schleimhautbarriere zu transportieren. Das Team experimentiert sowohl mit In-vitro- als auch mit In-vivo-Modellen an Mäusen.