Experimenten demonstreren een nauwkeurige afgifte van nanodeeltjes aan de longen via het caveolae-pompsysteem

De afgelopen jaren hebben biomedische ingenieurs veelbelovende technieken ontwikkeld die kunnen helpen ziekten te diagnosticeren of zich nauwkeurig te richten op specifieke gebieden in het menselijk lichaam. Tot deze veelbelovende therapeutische strategieën behoren methoden die afhankelijk zijn van het gebruik van nanodeeltjes (NP’s), kleine deeltjes tussen 1 en 100 nm groot.

Deze kleine deeltjes kunnen gebieden in het lichaam nauwkeurig in beeld brengen of medicijnen op gerichte locaties afleveren. Ondanks het potentieel van NP’s zijn hun therapeutische voordelen om verschillende redenen tot nu toe beperkt.

De eerste belangrijke reden is dat de grootte van deze kleine deeltjes vaak hun vermogen beperkt om belangrijke weefsels in het lichaam binnen te dringen en te penetreren, waardoor ze ineffectief worden voor het afleveren van medicijnen in de noodzakelijke concentraties. Bovendien worden deze deeltjes, wanneer ze in het menselijk lichaam worden geïntroduceerd, vaak snel opgevangen door het reticulo-endotheliale systeem (RES), dat verantwoordelijk is voor het identificeren van vreemde voorwerpen en het elimineren ervan uit de bloedbaan.

Onderzoekers van het Proteogenomics Research Institute for Systems Medicine zijn onlangs begonnen met het onderzoeken van het potentieel van het leveren van NP’s aan longweefsel via cellulaire barrières, waarbij gebruik wordt gemaakt van gespecialiseerde structuren die bekend staan ​​als de caveolae. Hun papier, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologietoont de haalbaarheid van deze aanpak aan in een reeks eerste experimenten met volwassen ratten.

“NP’s hebben een enorm maar nog onbenut klinisch potentieel om beeldvormende en therapeutische middelen systemisch met weefselprecisie te vervoeren en af ​​te leveren”, schreven Tapas R. Nayak, Adrian Charastina en hun collega’s in hun artikel.

“Maar hun omvang draagt ​​bij aan het snel opruimen door het reticulo-endotheliale systeem en de slechte penetratie van belangrijke endotheliale celbarrières (EC), waardoor de opname, veiligheid en werkzaamheid van het doelweefsel worden beperkt. We ontdekken het vermogen van het EC caveolae-pompsysteem om het opruimen te overtreffen en NP’s snel af te leveren en specifiek in de longen.”

De onderzoekers voerden verschillende experimenten uit waarbij ze probeerden metallische en dendritische NP’s van verschillende groottes te gebruiken om medicijnen in beeld te brengen en af ​​te geven aan de longen van ratten. Om dit te doen, gebruikten ze een alternatieve aanpak, die vertrouwt op het caveolae-pompsysteem (CPS) om de deeltjes uit het lichaam te extraheren, in tegenstelling tot het RES.

Caveolae zijn kleine instulpingen op het celmembraan die moleculen door de endotheelcellen langs de bloedvaten kunnen transporteren. De CPS is het proces waarmee caveolae deze moleculen naar specifieke weefsels kan transporteren, waarvan het team gebruik heeft gemaakt als onderdeel van hun onderzoek.

“Gouden en dendritische NP’s zijn geconjugeerd aan antilichamen die zich richten op caveolae van het microvasculaire endotheel van de longen”, schreven Nayak, Charastina en hun collega’s. “SPECT-CT-beeldvorming en biodistributieanalyses laten zien dat de longen van ratten het grootste deel van de intraveneuze dosis binnen enkele minuten extraheren om nauwkeurige longbeeldvorming en -targeting te bereiken met hoge longconcentraties die de piekbloedniveaus overschrijden.”

De eerste bevindingen zijn veelbelovend, omdat ze ontdekten dat hun voorgestelde methode de zeer nauwkeurige beeldvorming van de longen van de ratten en de toediening van medicijnen aan gerichte longweefsels met behulp van NP’s mogelijk maakte, zonder de problemen die doorgaans gepaard gaan met de uitdrijving van de deeltjes. Nieuwe studies zouden het potentieel van het afleveren van NP’s aan de longen verder kunnen onderzoeken door zich op de CPS te richten, terwijl ze ook licht zouden kunnen werpen op factoren die de effectiviteit van deze aanpak beïnvloeden, zoals de grootte en vorm van de gebruikte deeltjes.

“Deze resultaten laten zien hoeveel EC’s de weefselpenetratie van NP’s en de kracht- en grootte-afhankelijke beperkingen van het caveolae-pompsysteem zowel kunnen beperken als bevorderen”, schreven Nayak, Charastina en hun collega’s.

“Deze studie biedt een nieuw retargeting-paradigma voor NP’s om opname van het reticulo-endotheliale systeem te voorkomen en snelle, nauwkeurige nanodelivery te bereiken voor toekomstige diagnostische en therapeutische toepassingen.”