Microscopische beeldvorming laat zien hoe afschuiving deeltjes degranuleert die zijn gecoat in Dendrieps. Krediet: North Carolina State University
Omdat superbacteriën steeds gevaarlijker worden voor de menselijke gezondheid, hebben onderzoekers van NC State een zacht materiaal ontwikkeld dat medicijnen kan bewaren die infecties kunnen behandelen zonder het risico van antimicrobiële resistentie.
Met zijn collega Christopher Gorman van de afdeling Scheikunde en studenten Ryan Smith en Juliana O’Brien, ontwikkelde Stefano Menegatti, een universitaire faculteitswetenschapper en een universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering, nieuwe dendrimeren – zeer gestructureerde macromoleculen – die als een lijm fungeren rond nanodeeltjessjablonen. Dergelijke sjablonen omvatten bacteriofagen, dit zijn virussen die schadelijke bacteriën in het lichaam kunnen infecteren en aanvallen. Hoewel ze een alternatief kunnen zijn voor traditionele antibiotica, kunnen ze moeilijk te formuleren en te stabiliseren zijn als medicijn. Om veilig en effectief te blijven, moeten therapeutische bacteriofagen worden beschermd tegen veranderingen in de omgeving.
Menegatti en zijn team ontdekten dat dendrimeren in combinatie met korte ketens van aminozuren of peptiden nanodeeltjes kunnen omringen en ze onder verschillende omstandigheden stabiel kunnen houden. Hun team noemt deze dendrimeren DendriPeps. Omdat nanodeeltjes in water gesuspendeerd zijn, houden deze oplosbare DendriPeps ze in een gesloten, stabiel systeem.
“Deze dendrimeercoatings behouden het watergehalte in een virus terwijl ze fungeren als een protonenspons en beschermen het virus tegen zout- of pH-veranderingen”, zei Menegatti. “Het is een zachte maar ondoordringbare barrière. Het zorgt voor een mooie omgeving voor het virus.”
Zodra DendriPeps nanodeeltjes heeft gecoat, veroorzaakt gelokaliseerde afschuiving hun afgifte en hun therapeutische activiteit. Zachte materialen kunnen worden ontworpen om fysiek en chemisch te reageren op prikkels zoals temperatuur, druk en vocht. Shear is een ideale stimulans voor toepassingen voor medicijnafgifte, omdat het bijna alomtegenwoordig is in het hele lichaam. Oogleden veroorzaken afschuiving bij het knipperen; afval schuift de darmwand af tijdens de spijsvertering; afschuiving ontstaat wanneer men iets op de huid wrijft. Hierdoor kan DendriPeps lokale infecties behandelen.
“Shear is vaak een vergeten stimulus,” zei Menegatti. “Met deze uitvinding wilden we die leemte opvullen en Dendrieps bood een geweldige kans om dat te doen.”
Wanneer een cluster van met DendriPep gecoate nanodeeltjes wordt afgeschoven, degranuleert het, waardoor de afzonderlijke deeltjes vrijkomen. Deze deeltjes kunnen op hun beurt een therapeutische lading afgeven of, net als de bacteriofagen, gevaarlijke bacteriën infecteren en doden. Wanneer therapeutische actie niet nodig is, wordt de afschuiving verwijderd en worden de deeltjes opnieuw gecoat met DendriPeps en reluster. Dit stopt het vrijgeven van de lading.
Deze formulering kan bacteriofagen beschermen. Dit biedt een manier om antibiotica te vervangen in sommige kritieke toepassingen: het wijdverbreide gebruik van antibiotica heeft superbugs ontwikkeld – bacteriën die resistent zijn tegen standaarddoses antibiotica. Het onderzoeksteam ontwikkelt ook meer op DendriPep gebaseerde nanomedicijnen om nieuwe medicijnen zoals virale vectoren in gentherapie te leveren.
In de afgelopen jaren is Menegatti geëerd als Goodnight Early Career Innovator en NC State Faculty Scholar. Hij heeft ook een ALCOA Foundation Research Achievement Award, een Chancellor’s Innovation Fund-subsidie en een NSF Early Career Award ontvangen. Momenteel is zijn onderzoek verschoven naar technologie voor de productie van gentherapie en het creëren van efficiëntere productieprocessen. Het is in dezelfde geest als zijn dendrimeeronderzoek: hij zoekt naar manieren om natuurlijke en systematische hindernissen in de biogeneeskunde te overwinnen. Zijn doel is om de productie van en de toegang tot betere medicijnen te verbeteren.
“DendiPeps zou de ontbrekende schakel in materiaalwetenschappen kunnen zijn om therapeutische virussen het centrum te maken van de volgende generatie antimicrobiële middelen en medicijnen”, zei Menegatti.
Geleverd door North Carolina State University
