Ionenpaar stealth-schild verbergt nanodeeltjes voor de afweer van het lichaam

Het Japanse Innovatiecentrum voor NanoMedicine rapporteert over een nieuwe stealth-coating voor kleine medicijndragende deeltjes die niet afhankelijk is van schilden in PEG-stijl. Door positieve en negatieve ladingen samen te sluiten in een strak net, voorkomt de coating de opbouw van eiwitten en wordt voorkomen dat immuuncellen worden opgenomen, zodat de deeltjes meer dan 100 uur in het bloed blijven. De deeltjes, verpakt met het enzym asparaginase, fungeren als kleine reactoren die asparagine afvoeren om moeilijk te behandelen kankersoorten uit te hongeren.

Stealth in de nanogeneeskunde heeft betrekking op het vermijden van ongewenst vasthouden aan eiwitten en het verminderen van de aandacht van aanvallen van immuuncellen, waardoor de deeltjes door de bloedbaan kunnen blijven bewegen.

De huidige hoogenergetische oppervlakken van nanodeeltjes zorgen ervoor dat deeltjes aan eiwitten en cellen blijven kleven, wat sommige medische toepassingen beperkt. PEG-coatings (polyethyleenglycol) en soortgelijke hydrofiele omhulsels zijn de belangrijkste oplossing, waarbij gebruik wordt gemaakt van sterische afstoting. Om PEG goed te laten werken, is echter vaak een zorgvuldige afstemming van de dichtheid en de ketenlengte nodig, en veel deeltjes ontsnappen nog steeds snel wanneer ze worden blootgesteld aan bloed.

In de studie: “Sterische stabilisatie-onafhankelijke stealth-mantel maakt door nanoreactoren gemedieerde uithongeringstherapie tegen refractaire kanker mogelijk”, gepubliceerd in Natuur Biomedische Technologieontwikkelden onderzoekers polyion-complexe micellen en blaasjes met afstembare crosslinks om te testen of een gestabiliseerd ionenpaarnetwerk de eiwitadsorptie en de opname van macrofagen kan verminderen en lang circulerende asparaginase-nanoreactoren mogelijk kan maken voor asparagine-uithongeringstherapie bij muizen.

Technische stealth

Onderzoekers verzamelden polyioncomplexmicellen van ongeveer 30 nm en blaasjes van ongeveer 100 nm door polykationen en polyanionen gedurende 2 minuten bij een equimolaire ladingsverhouding te mengen. Vervolgens introduceerden ze covalente crosslinks via een carbodiimideverbinding die veel wordt gebruikt om carboxyl- en aminegroepen in de biochemie met elkaar te verbinden, om covalente crosslinks te vormen die het geladen polymeernetwerk stabiliseren. De stabiliteit tegen een hoog zoutgehalte werd gehandhaafd met een bescheiden verknoping en de vorm bleef onveranderd.

Stealth-drempels en resultaten

Onderzoekers rapporteren een sterk verminderde eiwitadsorptie en opname van macrofagen zodra de crosslinking gedefinieerde drempels overschrijdt: 39,5% voor micellen en 30,3% voor blaasjes. Blaasjes met 32,6% verknopingen en zonder PEG vertoonden minimale eiwitbinding en bleven “onzichtbaar” voor macrofagen. De halfwaardetijd van bloed steeg van minuten naar lange enkelfasige waarden zodra de drempelwaarden werden overschreden, en bereikte 121,5 uur voor micellen bij 39,5% en 97,2 uur voor blaasjes bij 30,3%.

Fluorescentiecorrelatiespectroscopie toonde diffusietijden aan in 100% serum-matchingbuffer nadat verknoping de drempels overschreed, consistent met weinig eiwitadsorptie. Isotherme titratiecalorimetrie registreerde geen detecteerbare warmte voor M39,5%, V30,3% en het 32,6% gedePEGyleerde blaasje, opnieuw consistent met minimale eiwitbinding.

In vivo interactie en klaring

Intravitale leverbeeldvorming toonde een snelle adhesie van laag-verknoopte deeltjes aan sinusoïdale wanden en een sterke opname door CD45+ F4/80+ macrofagen en CD45−cellen. Lang circulerende deeltjes bleven in het sinusoïdale lumen achter zonder te blijven plakken en stapelden zich slechts langzaam op in de lever. Micellen van dertig nanometer passeerden het gefenestreerde endotheel en bewogen zich in de richting van hepatobiliaire excretie, terwijl blaasjes van 100 nm in de loop van de tijd een langzame opname door macrofagen vertoonden.

Biodistributie en langdurige intravitale tracking ondersteunden deze routes. Flowcytometrie en sectiekleuring bevestigden de associatie van macrofagen voor blaasjes en een beperkte associatie van macrofagen voor micellen op lange tijdstippen.

Effecten van tumortherapie

Met asparaginase geladen blaasjes handhaafden een lange circulatie en veroorzaakten een aanhoudende uitputting van asparagine in plasma en tumoren. Dosering leverde een depletie van meer dan 50% op na 4 uur en ongeveer 80% na 96 uur in het plasma, waarbij ook intratumorale reducties werden gerapporteerd.

Metastatische borstkankermodellen lieten een verminderd gewicht van de primaire tumor en minder longknobbeltjes zien met het nanoreactorregime vergeleken met vrij enzym. Pancreastumoren vertoonden een lagere collageen I-afzetting en minder αSMA-positieve fibroblasten na behandeling met nanoreactoren, met een grotere penetratie van anti-PD-1-immunotherapie door tumorweefsel en verbeterde werkzaamheid in combinatie met anti-PD-1.

In één oogopslag

Een coöperatief ionenpaarnetwerkomhulsel kan stealth produceren zonder gebruik te maken van de gebruikelijke PEG-coating. De bevindingen introduceren een manier om het materiaal stabiel en minder ‘plakkerig’ te houden, waardoor de deeltjes langer kunnen circuleren terwijl detectie en aanvallen van het immuunsysteem langer worden vermeden.

Bij muizen bleven met enzymen geladen stealth-blaasjes actief in het lichaam en beroofden de tumoren van asparagine, waardoor hun groei werd verzwakt. De behandeling verzachtte ook het dichte weefsel rond pancreastumoren en zorgde ervoor dat immuunmedicijnen zoals anti-PD-1 beter werkten.

Waarnemingen suggereren ook een groottedrempel voor het passeren van leverendotheel met micellen van 30 nm versus blaasjes van 100 nm, en stellen een onverwacht mechanisme voor waarom sommige met PEG gecoate nanodeeltjes in bloed kunnen blijven bestaan.