Fluorescerende puntsynthese krijgt een milieuvriendelijke ‘glow up’

Fluorescerende “stippen” – dat wil zeggen kleine deeltjes die licht kunnen uitzenden – hebben een groot aantal veelbelovende biomedische toepassingen, van het helpen van clinici om tumormarges beter te identificeren tot het afleveren van een medicijn diep in het lichaam. Het maken van dergelijke stippen is echter meestal een lang en vervelend proces waarbij agressieve chemicaliën worden gebruikt. Nu ontwikkelen door NIBIB gefinancierde onderzoekers een fluorescerende stip die niet alleen gemakkelijker te maken is, maar ook milieuvriendelijke materialen gebruikt.

“Deze proof-of-principle-studie schetst een nieuwe, ‘groene’ benadering voor het vervaardigen van fluorescerende nanomaterialen, die opkomende moleculen zijn op biomedisch gebied”, zegt Tatjana Atanasijevic, Ph.D., directeur van het NIBIB-programma in Moleculaire sondes en beeldvormende middelen. “Het hier geschetste onderzoek biedt fundamenteel inzicht dat zou kunnen leiden tot een goedkopere en veiligere manier om dit belangrijke type nanodeeltje te synthetiseren.”

Traditionele synthesemethoden voor fluorescerende stippen vereisen doorgaans het gebruik van organische oplosmiddelen, die effectief helpen bij het afbreken van stoffen en het vergemakkelijken van chemische reacties. Organische oplosmiddelen kunnen echter ontvlambaar, vluchtig en kankerverwekkend zijn en potentieel gevaarlijk zijn als ze verkeerd worden gebruikt. Bovendien is de synthese van fluorescerende stippen doorgaans tijdrovend en complex, wat een verscheidenheid aan uitdagingen voor grootschalige productie vertegenwoordigt.

Maar onderzoekers van het University of Nebraska Medical Center (UNMC) werken aan een alternatieve strategie. Ze combineren hyaluronzuur, een veel voorkomend koolhydraat, samen met specifieke aminozuren (de moleculen waaruit eiwitten bestaan). Beide componenten zijn overvloedig aanwezig in ons lichaam en, belangrijker nog, ze kunnen allebei oplossen in water. Dit laatste kenmerk maakt de behoefte aan giftige organische oplosmiddelen overbodig.

“In tegenstelling tot traditionele fluorescerende stippen, combineren onze stippen twee natuurlijk voorkomende materialen”, legt senior studie-auteur Aaron Mohs, Ph.D., een universitair hoofddocent bij de afdeling farmaceutische wetenschappen van UNMC, uit. “Dit vergemakkelijkt niet alleen de synthese van ons nanomateriaal – omdat we de stippen kunnen zuiveren met alleen water – maar het profiteert ook van de biocompatibiliteit van deze moleculen, waardoor ze mogelijk een ideaal nanodeeltje zijn voor een verscheidenheid aan verschillende instellingen.” Mohs’ onderzoek naar deze fluorescerende stippen was: onlangs gemeld in het journaal ACS Omega.

Wanneer onderzoekers fluorescerende deeltjes maken, gebruiken ze meestal een uitgangsmateriaal met fluorescerende eigenschappen. Noch hyaluronzuur noch aminozuren zijn op zichzelf echter bijzonder fluorescerend. Om hun stippen te laten gloeien, profiteren Mohs en collega’s van de unieke chemie die ontstaat wanneer deze materialen worden gecombineerd. Omdat hyaluronzuur interageert met bepaalde aminozuren, kunnen de elektronen die deze moleculen delen opgesloten raken, wat invloed heeft op hoe de elektronen reageren wanneer ze worden blootgesteld aan bepaalde golflengten van licht. Dit fenomeen staat bekend als cross-linked-enhanced emissie. Het resultaat? De stippen gloeien blauw onder specifieke omstandigheden, waardoor de nanodeeltjes in cellen kunnen worden gevisualiseerd.

Naast biomedische beeldvormingstoepassingen wilden de onderzoekers onderzoeken of deze fluorescerende nanodeeltjes kunnen worden gebruikt voor medicijnafgifte. Ze laadden hun stippen met doxorubicine, een veelvoorkomend chemotherapeuticum bij kanker, en evalueerden de geneesmiddelafgevende eigenschappen en cytotoxische effecten. Vergeleken met standaard doxorubicine gaven de doxorubicine-geladen stippen het medicijn langzamer vrij in standaard medicijnafgifte-assays en vertoonden ze een verhoogde sterfte in borstkankercellen. “Hoewel een aanzienlijke hoeveelheid standaard doxorubicine uit de cellen wordt gepompt door middel van effluxmechanismen voor geneesmiddelen, zullen we dit effect waarschijnlijk enigszins omzeilen wanneer we het medicijn binnen de stip vangen”, verklaarde de eerste studie auteur Deep Bhattacharya, Ph.D., die is nu senior wetenschapper bij Pfizer. “Deze opsluiting in de nanodot zorgt voor een verhoogde therapeutische lading en langdurige doxorubicine-afgifte in cellen.”

Mohs merkte op dat dit proof-of-concept-werk nog maar het begin is voor hun fluorescerende stippen. “We willen deze stippen verder aanpassen om ze beter te maken voor biologische detectie in weefsels,” zei hij. “Maar deze eerste studie toonde zowel de beeldvorming als de medicijnafgifte-eigenschappen van deze stippen aan, die we kunnen maken met behulp van milieuvriendelijke materialen.”