Echogeleide microscopische ‘bloem’-deeltjes zijn veelbelovend in gerichte medicijnafgifte

Hoe kunnen medicijnen naar precieze locaties in het lichaam worden gestuurd waar ze moeten werken? Wetenschappers onderzoeken deze vraag al heel lang. Een voorbeeld hiervan is het rechtstreeks afleveren van kankermedicijnen aan een tumor, zodat ze alleen op een specifieke locatie effect hebben, zonder bijwerkingen in de rest van het lichaam te veroorzaken. Er wordt onderzoek gedaan naar dragerdeeltjes waaraan actieve ingrediënten kunnen worden gebonden.

Dit soort deeltjes moeten aan een reeks eisen voldoen, waaronder de volgende drie: ten eerste moeten ze zoveel mogelijk moleculen van de werkzame stof kunnen opnemen; ten tweede moet het mogelijk zijn om ze met een eenvoudige techniek zoals echografie door de bloedbaan te leiden; en ten derde moet het mogelijk zijn om hun reis door het lichaam te volgen met een niet-invasieve beeldvormingsprocedure. Dit laatste punt is de enige manier om te verifiëren of de medicijnen succesvol zijn afgeleverd.

Het vinden van één oplossing die aan al deze vereisten voldoet, was een uitdaging. Onderzoek onder leiding van ETH Zürich heeft nu een speciale klasse deeltjes onthuld die aan al deze criteria voldoet. Deze deeltjes zijn niet alleen effectief; ze zien er ook visueel opvallend uit onder een microscoop en lijken op kleine papieren bloemen of woestijnrozen. Ze zijn gemaakt van extreem dunne bloemblaadjes die zichzelf tot bloemen rangschikken. Deze bloemdeeltjes hebben een diameter van 1 tot 5 micrometer, wat iets kleiner is dan een rode bloedcel.

Hun vorm heeft twee belangrijke voordelen. Ten eerste hebben de bloemdeeltjes een enorm oppervlak in verhouding tot hun grootte. De ruimtes tussen de vele dicht opeengepakte bloemblaadjes zijn slechts enkele nanometers breed en werken als poriën. Dit betekent dat ze zeer grote hoeveelheden therapeutisch actieve stoffen kunnen opnemen. Ten tweede verstrooien de bloemblaadjes geluidsgolven of kunnen ze bedekt zijn met moleculen die licht absorberen en zo gemakkelijk zichtbaar gemaakt kunnen worden met behulp van echografie of opto-akoestische beeldvorming.

Deze bevindingen zijn zojuist gerapporteerd door de groepen onder leiding van Daniel Razansky en Metin Sitti in een onderzoek gepubliceerd in het journaal Geavanceerde materialen. Razansky is hoogleraar biomedische beeldvorming met een dubbele aanstelling aan de ETH Zürich en de Universiteit van Zürich. Sitti is een expert op het gebied van microrobotica en was tot voor kort professor aan de ETH Zürich en het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart voordat hij naar de Koç Universiteit in Istanbul verhuisde.

Beter dan gasbellen

“Eerder onderzochten onderzoekers voornamelijk kleine gasbelletjes als transportmethode door de bloedbaan met behulp van echografie of andere akoestische methoden”, zegt Paul Wrede, co-auteur van de studie en promovendus in de groep van Razansky. “We hebben nu aangetoond dat vaste microdeeltjes ook akoestisch geleid kunnen worden.” Het voordeel van de bloemdeeltjes ten opzichte van de belletjes is dat ze kunnen worden geladen met grotere hoeveelheden actieve ingrediëntmoleculen.

De onderzoekers hebben in petrischaalexperimenten aangetoond dat de bloemdeeltjes kunnen worden geladen met een kankermedicijn. Ze injecteerden de deeltjes ook in de bloedbanen van muizen. Met behulp van gefocusseerd ultrageluid konden ze de deeltjes op een vooraf bepaalde positie in de bloedsomloop houden. Dit lukte ondanks de snelle bloedcirculatie rondom de deeltjes.

Gefocusseerde echografie is een techniek waarbij geluidsgolven op een gelokaliseerde plek worden geconcentreerd. “Met andere woorden, we injecteren de deeltjes niet alleen en hopen er het beste van. We controleren ze ook daadwerkelijk”, zegt Wrede. De onderzoekers hopen dat deze technologie ooit zal worden gebruikt om medicijnen af ​​te leveren aan tumoren of stolsels die bloedvaten blokkeren.

De deeltjes kunnen van verschillende materialen zijn gemaakt en verschillende coatings hebben, afhankelijk van waarvoor ze worden gebruikt en de beeldvormingsprocedure die de onderzoekers de voorkeur geven om de positie van de deeltjes te controleren. “Het onderliggende werkingsprincipe is gebaseerd op hun vorm, niet op het materiaal waarvan ze zijn gemaakt”, zegt Wrede.

In hun onderzoek onderzochten de onderzoekers bloemdeeltjes gemaakt van zinkoxide gedetailleerd. Ze testten ook deeltjes gemaakt van polyimide en een composietmateriaal bestaande uit nikkel en organische verbindingen.

Nu willen de onderzoekers hun concept verfijnen. Ze zijn van plan om eerst meer dierproeven uit te voeren, waarna de technologie mogelijk gunstig kan worden voor patiënten met hart- en vaatziekten of kanker.