Das Team erfindet eine neue Antikoagulans-Plattform, die Hoffnung auf Fortschritte bei Herzoperationen, Dialyse und anderen Verfahren verspricht

Während die Blutgerinnung wichtig ist, um Blutverlust zu verhindern und für unsere Immunität, kann die Gerinnung auch gesundheitliche Probleme und sogar den Tod verursachen. Derzeit stirbt einer von vier Menschen weltweit an Krankheiten und Zuständen, die durch Blutgerinnsel verursacht werden. In der Zwischenzeit können Antikoagulanzien, die zur Verringerung von Risiken eingesetzt werden, auch erhebliche Probleme verursachen, wie z. B. unkontrollierte Blutungen.

Jetzt verspricht eine neue biomolekulare Antikoagulans-Plattform, die von einem Team unter der Leitung des UNC Charlotte-Forschers Kirill Afonin erfunden wurde, einen revolutionären Fortschritt gegenüber den Blutverdünnern, die derzeit bei Operationen und anderen Eingriffen verwendet werden. Die Entdeckungen des Teams werden im Tagebuch gemeldet Nano-Buchstabenerstmals online verfügbar am 5. Juli.

„Wir stellen uns vor, dass unsere neue gerinnungshemmende Plattform bei Bypass-Operationen an Koronararterien, Nierendialyse und einer Vielzahl von vaskulären, chirurgischen und koronaren Eingriffen eingesetzt werden könnte“, sagte Afonin. „Wir untersuchen jetzt, ob es potenzielle zukünftige Anwendungen bei Krebsbehandlungen gibt, um Metastasenbildung zu verhindern und auch um die Bedürfnisse von Malaria anzugehen, die Gerinnungsprobleme verursachen kann.“

Das Papier präsentiert die neuesten Ergebnisse aus drei Jahren Zusammenarbeit zwischen Forschern mit dem Frederick National Laboratory for Cancer Research (Labor für Nanotechnologie-Charakterisierung), der Universität von São Paulo in Brasilien, der Pennsylvania State University und der Uniformed Services University of the Health Sciences.

„All dies führte zu massiven internationalen und interdisziplinären Anstrengungen zur Entwicklung einer völlig neuen Technologie, von der wir glauben, dass sie das Gebiet revolutionieren und von anderen Bereichen der Gesundheitsforschung aufgegriffen werden könnte“, sagte Afonin.

Die Technologie des Teams wendet sich an programmierbare RNA-DNA-Antikoagulansfasern, die sich, wenn sie in den Blutkreislauf injiziert werden, zu modularen Strukturen formen, die mit Thrombin kommunizieren, den Enzymen im Blutplasma, die die Blutgerinnung bewirken. Die Technologie ermöglicht es den Strukturen, die Blutgerinnung bei Bedarf zu verhindern und dann schnell durch das Nierensystem aus dem Körper ausgeschieden zu werden, sobald die Arbeit erledigt ist.

Die Faserstrukturen verwenden Aptamere, kurze DNA- oder RNA-Sequenzen, die dazu bestimmt sind, Thrombin spezifisch zu binden und zu inaktivieren.

„Anstatt ein einzelnes kleines Molekül zu haben, das Thrombin deaktiviert“, sagte Afonin, „haben wir jetzt eine relativ große Struktur, die Hunderte von Aptameren auf ihrer Oberfläche hat, die an Thrombin binden und sie deaktivieren können. Und weil die Struktur größer wird, es zirkulieren wesentlich länger im Blutkreislauf als herkömmliche Optionen.“

Die erweiterte Zirkulation im Blutkreislauf ermöglicht eine einzelne Injektion anstelle mehrerer Dosen. Das Design verringert auch die Konzentration von Antikoagulanzien im Blut, was zu einer geringeren Belastung der Nieren und anderer Systeme des Körpers führt, sagte Afonin.

Diese Technologie führt auch einen neuartigen „Kill-Switch“-Mechanismus ein. Eine zweite Injektion kehrt die gerinnungshemmende Funktion der Faserstruktur um, wodurch die Fasern zu winzigen, harmlosen, inaktiven und leicht durch das Nierensystem ausgeschiedenen Materialien verstoffwechselt werden können.

Der gesamte Vorgang findet außerhalb der Zelle durch extrazelluläre Kommunikation mit dem Thrombin statt. Die Forscher stellen fest, dass dies wichtig ist, da immunologische Reaktionen auf der Grundlage ihrer umfangreichen Studien nicht auftreten.

Das Team hat die Plattform anhand von Computermodellen, menschlichem Blut und verschiedenen Tiermodellen getestet und validiert. „Wir haben Proof-of-Concept-Studien mit frisch entnommenem menschlichem Blut von Spendern in den USA und in Brasilien durchgeführt, um eine potenzielle Variabilität zwischen den Spendern zu untersuchen“, sagte Afonin.

Die Technologie könnte eine Grundlage für andere biomedizinische Anwendungen bilden, die eine Kommunikation über die extrazelluläre Umgebung bei Patienten erfordern, sagte er. „Thrombin ist nur eine mögliche Anwendung“, sagte er. „Was auch immer Sie extrazellulär deaktivieren möchten, ohne in die Zellen einzudringen, wir glauben, dass Sie dies können. Das bedeutet potenziell, dass jedes Blutprotein, alle Zelloberflächenrezeptoren, vielleicht Antikörper und Toxine möglich sind.“

Die Technik ermöglicht die Gestaltung von Strukturen jeder gewünschten Form, wobei der Kill-Switch-Mechanismus intakt ist. „Indem wir die Form ändern, können wir sie in verschiedene Körperteile eindringen lassen, sodass wir die Verteilung ändern können“, sagte Afonin. „Es bekommt eine zusätzliche Ebene der Raffinesse dessen, was es kann.“

Während die Anwendung anspruchsvoll ist, ist die Herstellung der Strukturen relativ einfach. „Die Haltbarkeit dieser Formulierungen ist erstaunlich gut“, sagte Afonin. „Sie sind sehr stabil, sodass Sie sie trocknen können, und wir gehen davon aus, dass sie jahrelang bei Umgebungstemperatur bleiben werden, was sie für wirtschaftlich angeschlagene Regionen der Welt sehr zugänglich macht.“

Während die bisherige Arbeit der Forscher Relevanz für kurzfristige Anwendungen hat, beispielsweise in Operationen, hoffen sie, ihre Forschung möglicherweise auf Erhaltungssituationen auszudehnen, beispielsweise bei Medikamenten, die Patienten mit Herzproblemen einnehmen.

Das Potenzial, Leben zu retten und die Gesundheitsversorgung zu verbessern, ist ein Motivator für das Team, ebenso wie die Erfindung von etwas Neuem, sagte Afonin. „Wir können von der Natur lernen, aber wir haben etwas gebaut, das noch nie zuvor vorgestellt wurde“, sagte er. „Also entwickeln und bauen wir all diese Plattformen de novo – von Grund auf neu. Und dann können wir durch unsere Plattformen erklären, was wir von der Natur – oder unseren Körpern – erwarten, und unsere Körper verstehen uns.“

Das Office of Research Commercialization and Development der UNC Charlotte arbeitet eng mit der Penn State zusammen, um diese neue Technologie zu patentieren und auf den Markt zu bringen.