Ingenieurs ontwerpen een nanodrager voor medicijnen die lijkt op de verdedigingslinies van de longen

Een medicijndragend molecuul dat is ontworpen om ziektes te genezen door de natuurlijke afweer van de longen te omzeilen, biedt nieuwe hoop voor mensen met chronische of dodelijke luchtwegaandoeningen, zeggen de makers ervan, onderzoekers in het Soft Biomatter Lab van assistent-professor Liheng Cai aan de University of Virginia School of Engineering and Applied Science.

Cai en zijn team, waaronder Baiqiang Huang, promovendus materiaalkunde en techniek, en Zhi-Jian He, promovendus biomedische techniek, hebben met succes de effectiviteit van de nanodrager aangetoond met behulp van de eigen ‘micro-menselijke luchtwegen’ van het laboratorium. Het apparaat legt de geometrische en biologische kenmerken van de menselijke luchtwegen vast.

Ze beschrijven hun bevindingen in een gepubliceerd artikel in het dagboek ACS Nano.

Sluipen langs onze verdediging

Onze longen hebben beschermingslagen die ziekteverwekkers of ingeademde deeltjes uit het ademhalingssysteem opvangen en transporteren om te voorkomen dat we ziek worden. Elke keer dat u uw neus snuit, werkt het systeem.

“Helaas verhinderen diezelfde barrières ook dat medicijnen de beoogde cellen bereiken, waardoor het moeilijk is om ziektes als astma, chronische obstructieve longziekte en longfibrose te behandelen”, aldus Huang.

Het nieuwe polymeer heet bottlebrush polyethylene glycol, of PEG-BB. Het beweegt snel door de luchtwegkantelen door mucinen na te bootsen, een natuurlijk glycoproteïne dat verantwoordelijk is voor de eigenschappen van slijm, dat dezelfde vorm heeft als een bottlebrush: een centrale ruggengraat met een kluwen borstelharen die naar buiten uitsteken.

“We dachten dat de flexibiliteit en wormachtige geometrie van de flessenborsteldrager ervoor zou zorgen dat deze door het dichte netwerk van slijm en gel rond de trilhaartjes zou glippen, zodat het door epitheelcellen zou worden opgenomen, waar de medicijnen hun werk moeten doen,” aldus Huang.

Cilia zijn de haarachtige structuren op het oppervlak van cellen. Ze bewegen samen met slijm om vreemde lichamen af ​​te weren en uit te drijven.

Om hun hypothese te testen, kweekte het team menselijke luchtwegepitheelcellen in hun apparaat. Ze introduceerden fluorescerende PEG-BB-moleculen in de cellen vanuit twee richtingen.

Vervolgens gebruikten ze een kleurstof om door de mucus- en periciliaire lagen te dringen, waarbij de laatste de gel is die de trilhaartjes omhult. Ze kleurden de epitheelcelwanden niet, wat hielp om de grenzen van het epitheel te markeren.

Met behulp van een speciale microscoop en een verduisterde kamer om de beelden scherper te maken, konden ze zien hoe goed de gloeiende flessenborstelmoleculen door de cellen waren gegaan.

Een reeks recente successen

“De micro-menselijke luchtwegen zijn in principe een gelijkwaardige plek waar cellen kunnen groeien”, aldus Huang.

“Dankzij de biologische overeenkomsten kunnen we de verdediging van de menselijke longen bestuderen, zonder dat we levende wezens schade toebrengen”, voegt Cai toe. Zijn laboratorium is gespecialiseerd in de ontwikkeling van nieuwe flessenborstelpolymeren voor uiteenlopende toepassingen, waarvan er veel de grenzen van de precisiegeneeskunde verleggen.

Zo heeft zijn bioprintingprogramma onlangs mogelijk de eerste 3D-bouwsteen opgeleverd voor het on-demand printen van organen.

De bevindingen van PEG-BB zijn een nieuw succes in de reeks van het laboratorium.

“Wij denken dat deze innovatie niet alleen betere behandelingen voor longziekten belooft met minder bijwerkingen, maar ook mogelijkheden opent voor de behandeling van aandoeningen die de slijmvliezen in het hele lichaam aantasten”, aldus Cai.

De volgende stap van het lab is om het vermogen van PEG-BB te testen om medicijnmoleculen door een slijmbarrière te transporteren. Het team experimenteert met zowel in vitro- als in vivo-modellen bij muizen.