Neues Material ebnet den Weg für ferngesteuerte Medikamente und elektronische Pillen

Biomedikamente werden von lebenden Zellen hergestellt und unter anderem zur Behandlung von Krebs und Autoimmunerkrankungen eingesetzt. Eine Herausforderung besteht darin, dass die Herstellung der Medikamente sehr teuer ist, was den weltweiten Zugang einschränkt. Jetzt haben Forscher von Chalmers ein Material erfunden, das elektrische Signale nutzt, um Biomoleküle einzufangen und freizusetzen. Die neue und effiziente Methode könnte einen großen Einfluss auf die Entwicklung von Biomedizin haben und den Weg für die Entwicklung von elektronischen Pillen und Medikamentenimplantaten ebnen.

Das neue Material ist eine Polymeroberfläche, die bei einem elektrischen Impuls ihren Zustand vom Einfangen zum Freisetzen von Biomolekülen ändert. Dies hat mehrere mögliche Anwendungen, einschließlich der Verwendung als Werkzeug für die effiziente Trennung eines Arzneimittels von den anderen Biomolekülen, die Zellen bei der Herstellung biologischer Arzneimittel erzeugen. Die Ergebnisse der Studie wurden kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Angewandte Chemie.

Die Herstellung von Biomedikamenten ist aufgrund des Fehlens einer effizienten Trenntechnik sehr teuer, und es sind neue Techniken mit einer höheren Arzneimittelausbeute erforderlich, um die Produktionskosten und letztendlich die Kosten für die Behandlung von Patienten zu senken.

„Unsere Polymeroberflächen bieten eine neue Möglichkeit, Proteine ​​zu trennen, indem sie mithilfe elektrischer Signale steuern, wie sie an eine Oberfläche gebunden und von dieser gelöst werden, ohne die Struktur des Proteins zu beeinflussen“, sagt Gustav Ferrand-Drake del Castillo, der seine öffentlich verteidigt Doktorarbeit in Chemie in Chalmers und ist Erstautor der Studie.

Die herkömmliche Trenntechnik – Chromatographie – bindet Biomoleküle fest an die Oberfläche und es sind starke Chemikalien erforderlich, um sie freizusetzen, was zu Verlusten und einer schlechten Ausbeute führt. Viele neue Medikamente haben sich als sehr empfindlich gegenüber starken Chemikalien erwiesen, was ein großes Produktionsproblem für die nächste Generation von Biomedikamenten schafft. Aus dem geringeren Chemikalienverbrauch ergibt sich ein Vorteil für die Umwelt, wobei die Tatsache, dass die Oberflächen des neuen Materials auch über mehrere Zyklen wiederverwendet werden können, eine wichtige Eigenschaft ist. Der Vorgang kann hunderte Male wiederholt werden, ohne die Oberfläche zu beeinträchtigen.

Funktionen in biologischen Flüssigkeiten

Das Material funktioniert auch in biologischen Flüssigkeiten mit Pufferkapazität, also Flüssigkeiten mit der Fähigkeit, pH-Wert-Änderungen entgegenzuwirken. Diese Eigenschaft ist bemerkenswert, da sie den Weg für die Schaffung einer neuen Technik für Implantate und elektronische „Pillen“ ebnet, die das Medikament durch elektronische Aktivierung in den Körper abgeben.

„Man kann sich einen Arzt oder ein Computerprogramm vorstellen, das den Bedarf einer neuen Medikamentendosis bei einem Patienten misst, und ein ferngesteuertes Signal, das die Freisetzung des Medikaments aus dem Implantat aktiviert, das sich in genau dem Gewebe oder Organ befindet, wo es benötigt wird “, sagt Gustav Ferrand-Drake del Castillo.

Die lokale, aktivierte Wirkstofffreisetzung ist heute in Form von Materialien verfügbar, die ihren Zustand im Falle einer Änderung der umgebenden chemischen Umgebung ändern. Beispielsweise werden Tabletten aus pH-empfindlichem Material hergestellt, wenn Sie die Freisetzung eines Arzneimittels im Magen-Darm-Trakt kontrollieren möchten, einer Umgebung mit natürlichen Schwankungen des pH-Werts. Aber in den meisten Geweben des Körpers gibt es keine Veränderungen des pH-Wertes oder anderer chemischer Parameter.

„In der Lage zu sein, die Freisetzung und Aufnahme von Proteinen im Körper mit minimalen chirurgischen Eingriffen und ohne Nadelinjektionen zu kontrollieren, ist unserer Meinung nach eine einzigartige und nützliche Eigenschaft. Die Entwicklung elektronischer Implantate ist nur eine von mehreren denkbaren Anwendungen, die viele Jahre in Anspruch nehmen Forschung, die uns hilft, Elektronik und Biologie auf molekularer Ebene zu verknüpfen, ist ein wichtiges Puzzleteil in eine solche Richtung“, sagt Gustav Ferrand-Drake del Castillo.

Ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens ist der geringe Energiebedarf. Der geringe Stromverbrauch ist darauf zurückzuführen, dass die Tiefe des Polymers auf der Oberfläche der Elektrode im Nanometerbereich sehr dünn ist, was bedeutet, dass die Oberfläche sofort auf kleine elektrochemische Signale reagiert.

„Elektronik in biologischen Umgebungen ist oft durch die Größe der Batterie und der beweglichen mechanischen Teile begrenzt. Die Aktivierung auf molekularer Ebene reduziert sowohl den Energiebedarf als auch den Bedarf an beweglichen Teilen“, sagt Gustav Ferrand-Drake del Castillo.

Der Durchbruch begann als Doktorarbeit

Die Forschung hinter der Technik wurde während der Zeit durchgeführt, als Ferrand-Drake del Castillo Doktorand im Forschungsteam von Chalmers-Professor Andreas Dahlin in der Abteilung für Angewandte Oberflächenchemie war. Das Projekt umfasste Polymeroberflächen, die je nach pH-Wert der umgebenden Lösung ihren Zustand zwischen neutral und geladen ändern. Den Forschern gelang es dann, ein Material zu schaffen, das stark genug war, um an der Oberfläche zu bleiben, wenn es wiederholten elektrischen Signalen ausgesetzt war, und gleichzeitig dünn genug, um den pH-Wert aufgrund der Elektrochemie auf der Oberfläche tatsächlich zu ändern.

„Kurz darauf entdeckten wir, dass wir die elektrischen Signale nutzen können, um die Bindung und Freisetzung von Proteinen und Biomolekülen zu steuern, und dass das Elektrodenmaterial in biologischen Lösungen wie Serum und zentrifugiertem Blut funktioniert. Wir glauben und hoffen, dass unsere Entdeckungen von großem Nutzen sein werden.“ bei der Entwicklung neuer Medikamente profitieren“, sagt Andreas Dahlin.