Bioingenieurwesen-Forscher an der Rice University haben ultrakleine, stabile, gasgefüllte Protein-Nanostrukturen entwickelt, die die Ultraschallbildgebung und die Arzneimittelverabreichung revolutionieren könnten.
Im Gegensatz zu den derzeit verfügbaren Mikro- oder Nanobläschen, die zu groß sind, um biologische Barrieren wirksam zu überwinden, gelten die neuartigen rautenförmigen 50-Nanometer-Gasbläschen (50-NM-GVs) – die etwa so groß wie Viren sind – als die kleinsten stabilen, frei schwebenden Strukturen, die jemals für die medizinische Bildgebung geschaffen wurden.
Mikrobläschen haben in jüngster Zeit vielversprechende Fortschritte in der Ultraschallbildgebung und der ultraschallgestützten Gen- und Arzneimittelverabreichung ermöglicht. Als Kontrastmittel eingesetzt, können sie Informationen auf molekularer Ebene über gezielte Biomarker oder Zelltypen liefern. Aufgrund ihrer Größe (1–10 Mikrometer Durchmesser) können sie den Blutkreislauf jedoch nur selten verlassen, was ihre Wirksamkeit auf gut vaskularisierte Gewebe beschränkt.
Im Gegensatz dazu können die neuen 50-NM-GVs Gewebe durchdringen. Die Forschung hat gezeigt, dass sie wichtige Immunzellpopulationen in Lymphknoten erreichen konnten. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Bildgebung und die Verabreichung von Therapien an bisher unerreichbare Zellen.
Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Lymphgewebe zeigen, dass sich große Mengen der Nanostrukturen in Zellen ansammeln, die eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung der angeborenen Immunantwort spielen. Dies legt ihre mögliche Verwendung in Immuntherapien, Krebsprophylaxe und Frühdiagnose sowie bei der Behandlung von Infektionskrankheiten nahe. Die Arbeit wird in der Zeitschrift ausführlich beschrieben. Fortgeschrittene Werkstoffe.
„Dieser Durchbruch eröffnet neue Wege für die Behandlung von Krankheiten durch Ultraschall und hat Auswirkungen auf zukünftige medizinische Praktiken und Behandlungsergebnisse. Die Forschung hat erhebliche Auswirkungen auf die Behandlung von Krebs und Infektionskrankheiten, da in Lymphknoten ansässige Zellen wichtige Ziele für Immuntherapien sind“, sagte Studienautor George Lu, Assistenzprofessor für Biotechnik und Wissenschaftler am Cancer Prevention and Research Institute of Texas.
Zu den Forschungsmethoden gehörten Gentechnik, Techniken zur Charakterisierung von Nanopartikeln, Elektronenmikroskopie und Ultraschallbildgebung, um die Verteilung und akustische Reaktion dieser Strukturen zu analysieren.
„Die Idee war, ihre geringe Größe und akustischen Eigenschaften für biomedizinische Anwendungen zu nutzen“, sagte Lu. „Diese Arbeit stellt einen bahnbrechenden Entwurf funktionaler gasgefüllter Protein-Nanostrukturen dar, die klein genug sind, um in das Lymphsystem zu gelangen.“
Die Studie skizziert mehrere Richtungen für künftige Forschung, darunter die Beurteilung der Biosicherheit und Immunogenität der Nanobläschen, die Bestimmung der optimalen Ultraschallparameter für In-vivo-Anwendungen und mehr.
„Im weiteren Sinne stellt dies einen bedeutenden Fortschritt im Materialdesign dar, der möglicherweise zu innovativen Anwendungen in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen führt“, sagte Lu. „Da diese Nanostrukturen vollständig aus Proteinen bestehen und in lebenden Bakterien produziert werden, veranschaulichen sie, wie biogene Materialien die Leistung synthetischer Materialien übertreffen können.“
Der Postdoktorand Qionghua Shen von Rice und der Doktorand Zongru Li sind Hauptautoren des Papiers. Weitere Autoren von Rice sind Yixian Wang, Matthew Meyer, Marc De Guzman, Janie Lim und Han Xiao. Richard Bouchard vom MD Anderson Cancer Center der University of Texas ist ebenfalls Autor.
Mehr Informationen:
Qionghua Shen et al., 50 nm große gasgefüllte Protein-Nanostrukturen ermöglichen den Zugang zu Lymphzellen mittels Ultraschalltechnologien, Fortgeschrittene Werkstoffe (2024). DOI: 10.1002/adma.202307123