Engineered nanomateriaal vangt kankermedicijn buiten het doelwit om weefselbeschadiging te voorkomen

Standaardchemotherapieën kunnen kankercellen op efficiënte wijze doden, maar ze vormen ook aanzienlijke risico’s voor gezonde cellen, wat resulteert in secundaire ziekte en een verminderde kwaliteit van leven voor patiënten. Om de voorheen onvermijdelijke schade te voorkomen, hebben onderzoekers, onder leiding van Penn State, een nieuwe klasse nanomaterialen ontwikkeld die zijn ontworpen om chemotherapiemedicijnen op te vangen voordat ze een interactie aangaan met gezond weefsel.

“Om de off-target effecten van kankermedicijnen tijdens en na lokale chemotherapie te verminderen, is het elimineren van hun systemische circulatie noodzakelijk”, zegt hoofdonderzoeker Amir Sheikhi, assistent-professor chemische technologie en biomedische technologie bij Penn State. “Beschikbare en voorgestelde platforms om ongewenste medicijnen – voornamelijk het chemotherapiemedicijn doxorubicine (DOX) – uit het bloed te verwijderen, zijn buitengewoon ineffectief, omdat ze niet genoeg van het medicijn verwijderen om schade te voorkomen. We hebben een zeer efficiënte aanpak ontwikkeld die DOX opvangt met een grotere capaciteit dan 3.200% hoger dan andere platforms, zoals op DNA gebaseerde materialen.”

De methode, nu online beschikbaar vóór het maartnummer van Materialen Vandaag Chemie, is gebaseerd op harige cellulose-nanokristallen – nanodeeltjes die zijn ontwikkeld uit het hoofdbestanddeel van plantencelwanden en zijn ontwikkeld om enorme aantallen “haren” van de polymeerketen te hebben die zich vanaf elk uiteinde uitstrekken. Deze haren vergroten volgens Sheikhi de potentiële capaciteit voor het opvangen van medicijnen van de nanokristallen aanzienlijk meer dan die van conventionele nanodeeltjes en ionenuitwisselingsharsen.

“Voor zover wij weten, is er momenteel geen op nanodeeltjes gebaseerd super-capaciteit drug capture-systeem,” zei Sheikhi, erop wijzend dat de ontwikkeling van een dergelijk systeem een ​​aanzienlijke impact zou kunnen hebben op de behandelingsplannen van kanker. “Voor sommige organen, zoals de lever, kan chemotherapie lokaal worden toegediend via katheters. Als we een apparaat zouden kunnen plaatsen op basis van de nanokristallen om de overtollige medicijnen op te vangen die de inferieure vena cava van de lever, een belangrijk bloedvat, verlaten, zouden clinici mogelijk hogere doses kunnen toedienen van chemotherapie om de kanker sneller te doden zonder dat u zich zorgen hoeft te maken over het beschadigen van gezonde cellen. Zodra de behandeling is voltooid, kan het apparaat worden verwijderd.”

Om de harige cellulose-nanokristallen te produceren die chemotherapiemedicijnen kunnen opvangen, behandelden de onderzoekers de cellulosevezels in zachthoutpulp chemisch en gaven ze een negatieve lading aan de haren, waardoor ze stabiel werden tegen de ionische samenstelling van bloed. Volgens Sheikhi corrigeert dit een fout van conventionele nanodeeltjes, waarvan de lading inert kan worden gemaakt of verminderd wanneer ze worden blootgesteld aan bloed, waardoor het aantal positief geladen medicijnmoleculen wordt beperkt waarmee het kan binden aan onbeduidende aantallen.

De bindingswerkzaamheid van de nanokristallen werd getest in humaan serum, het eiwitrijke deel van bloed dat geen rode of witte bloedcellen of bloedplaatjes bevat. Voor elke gram harige cellulose-nanokristallen werd meer dan 6.000 milligram DOX effectief uit het serum verwijderd.

“De harige nanokristallen stelden ons in staat om de limiet met minstens twee tot drie orden van grootte te verleggen in vergelijking met sommige andere beschikbare platforms,” ​​zei Sheikhi.

De onderzoekers ontdekten ook dat de nanokristallen geen schadelijk effect hadden op rode bloedcellen in volbloed of op celgroei in endotheelcellen van de menselijke navelstrengader.

“We ontdekten dat de harige cellulose-nanokristallen binden aan positief geladen medicijnen in menselijk serum en DOX onmiddellijk vastleggen, en dat doen ze zonder enige cytotoxiciteit of hemolytische effecten op te leggen,” zei Sheikhi. “We stellen ons voor dat dit effectieve, niet-toxische nanodeeltje een bouwsteen zou kunnen zijn voor de volgende generatie apparaten om overtollige medicijnen op te vangen en ongewenste moleculen uit het lichaam te verwijderen, zoals psychedelica en toxines.”

Volgens Sheikhi heeft het gebruik van harige nanokristallen van cellulose verreikende implicaties buiten het lichaam. Zijn team heeft onlangs nanokristallen ontwikkeld die in staat zijn om selectief te binden aan neodymium, een zeldzaam aardelement, om waardevol materiaal te redden van elektronisch afval.

“We zijn verheugd om een ​​nieuw materiaal te introduceren met zo’n hoge capaciteit om een ​​verscheidenheid aan elementen te scheiden, wat hopelijk nieuwe kansen zal openen voor een breed scala aan toepassingen”, zei Sheikhi.

Sheikhi begon dit werk als postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, in het laboratorium van Ali Khademhosseini, nu de chief executive officer van het Terasaki Institute for Biomedical Innovation. Andere bijdragen aan Penn State zijn onder meer Joy Muthami en Patricia Wamea, beide recent afgestudeerde master of science in chemische technologie; en Mica Pitcher, doctoraalstudent scheikunde. UCLA-bijdragers zijn Sarah AE Young, Peter Antovski, Robert Denis Murphy, Andrew Schmidt, Samuel Clark en voor een deel van het onderzoek Reihaneh Haghniaz. Haghniaz is nu aangesloten bij het Terasaki Institute for Biomedical Innovation.