Microcapsules voor medicijnafgifte die zijn gelabeld met zirkonium-89 kunnen worden gevolgd door PET-beeldvorming

Polymeer- en radionuclidechemici van de Universiteit van Alabama in Birmingham rapporteren wat zij zeggen “kan een belangrijke stap voorwaarts betekenen in de systemen voor het afleveren van microcapsules”.

De UAB-microcapsules – gelabeld met radioactief zirkonium-89 – zijn het eerste voorbeeld van holle polymeercapsules die in vivo langdurige, meerdaagse positronemissietomografie of PET-beeldvorming kunnen maken. In eerder werk toonden UAB-onderzoekers aan dat de holle capsules kunnen worden gevuld met een krachtige dosis van het kankermedicijn doxorubicine, dat vervolgens kan worden vrijgegeven door therapeutische echografie die de microcapsules scheurt.

PET-beeldvorming met zirkonium-89 – dat een halfwaardetijd van 3,3 dagen heeft – maakte het mogelijk de capsules tot zeven dagen in testmuizen te traceren. De belangrijkste stap voorwaarts in het huidige onderzoek was de covalente opname van een zirkoniumchelator, deferoxamine of DFO, in de lagen van de microcapsules. Dit verhoogde de sterke binding van de positron-emitter zirkonium-89 aan de microcapsulewand.

“De geproduceerde systemen vertegenwoordigen een voorbeeld van een geavanceerd theranostisch middel met de mogelijkheid om gecontroleerde medicijnafgifte te combineren met stabiele PET-beeldvormingsmogelijkheden”, aldus Eugenia Kharlampieva, Ph.D., en Suzanne Lapi, Ph.D., co-senior auteurs. “Wij geloven dat dit systeem ook de basis vormt voor een universele drager voor medicijnafgifte die kan worden gekoppeld aan geavanceerde gerichte behandelingen, zoals gentherapie op maat van de patiënt, en kan leiden tot de verbetering van de menselijke gezondheid door middel van moleculair gerichte, beeldgestuurde precisiemedicijnen. levering.”

Dit medicijnafgiftesysteem – na modificaties aan het oppervlak om de doelgerichtheid te vergroten – zou een niet-invasief alternatief kunnen bieden voor kankerchirurgie of systemische chemotherapie voor solide tumoren. De term theranostisch, een samenvoeging van de woorden therapie en diagnostiek, verwijst naar nanodeeltjes of microcapsules die zowel kunnen dienen als diagnostische beeldvormende middelen en als therapeutische dragers voor medicijnafgifte.

Het relatieve gebrek aan gefunctionaliseerde zirkonium-89-deeltjes, suggereren Kharlampieva en Lapi, kan te wijten zijn aan zowel de schaarste aan laboratoria die met deze isotoop kunnen werken als de uitdagingen die samenhangen met de stabiele opname ervan in een polymere geneesmiddeldrager. Bij UAB is Kharlampieva professor aan het UAB College of Arts and Sciences Department of Chemistry en mededirecteur van het UAB Center for Nanomaterials and Biointegration. Haar laboratorium voor polymeerchemie heeft pionierswerk verricht in het onderzoek naar holle microcapsules die zijn opgebouwd uit afwisselende lagen van biocompatibel looizuur en poly (N-vinylpyrrolidon), of TA / PVPON. De lagen worden gevormd rond een opofferingskern die wordt opgelost nadat de lagen zijn voltooid. In het huidige onderzoek was de chelator DFO covalent gekoppeld aan de PVPON en waren de capsules samengesteld uit afwisselende lagen TA en PVPON-DFO, voor in totaal zes of 12 dubbellaagse.

Lapi is hoogleraar radiologie en vice-voorzitter van translationeel onderzoek, en zij is de directeur van de UAB Cyclotron Facility, die zowel klinische als onderzoeksradionucliden produceert. Lapi geeft ook leiding aan het Radiochemistry Laboratory en de afdeling Advanced Medical Imaging Research.

De UAB-onderzoekers ontdekten dat (TA / PVPON-DFO) zes dubbellaagse capsules gemiddeld 17 procent meer zirkonium-89 bevatten dan hun (TA / PVPON) tegenhangers, bewijs dat het koppelen van DFO aan PVPON stabiele chelatie oplevert. In vivo PET-beeldvorming van muizen toonde uitstekende stabiliteit en beeldcontrast dat zeven dagen na injectie nog steeds aanwezig was. De capsules stapelden zich voornamelijk op in de milt, lever en longen, en er was een verwaarloosbare accumulatie in het dijbeen. Aangezien het dijbeen de plaats is waar vrij zirkonium-89 zich ophoopt, bevestigde dit gebrek aan accumulatie in het dijbeen een stabiele binding van de radiotracer aan de capsule. Ten slotte bracht het toepassen van therapeutische niveaus van echografie op de met zirkonium gefunctionaliseerde capsules het antikankermedicijn doxorubicine – geladen in de microcapsules – in therapeutische hoeveelheden vrij.

De microcapsules overwinnen dus drie beperkingen die worden gezien in de meeste huidige PET-geleide theranostische middelen: 1) slechte retentie van radiometaal in de tijd, 2) lage medicijnlaadcapaciteiten en 3) in de tijd beperkte PET-beeldvormingsmogelijkheden.

Co-eerste auteurs van de studie, “Multilayer microcapsules with shell-chelated 89Zr for PET imaging and controlled delivery”, gepubliceerd in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces, waren Veronika Kozlovskaya, Ph.D., en Aaron Alford, Ph.D., UAB Department of Chemistry.