Kleine ‘warmtebommen’ gemaakt van biologisch afbreekbare polymeren kunnen zich precies richten op en behandelen zieke cellen

Cornell-onderzoekers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om specifieke gebieden in het lichaam veilig op te warmen door biologisch afbreekbare polymeren te gebruiken die kleine waterzakken bevatten, die vervolgens worden geactiveerd door bijna-infrarood laser. De technologie kan leiden tot precieze en niet -invasieve diagnostiek en therapeutica, misschien om kanker te bestrijden.

De bevindingen werden gemeld in ACS nano. De hoofdauteur is postdoctoraal onderzoeker Jinha Kwon.

Het project begon toen Zhiting Tian, ​​universitair hoofddocent mechanische en ruimtevaarttechniek in Cornell Engineering en de senior auteur van de krant, de expertise van haar laboratorium op nanoschaal thermisch transport en energieconversie wilde toepassen – met toepassingen variërend van micro -elektronica tot ruimte -exploratie – tot biomedicine.

Eerst moest ze het juiste leveringssysteem vinden.

In 2014 kwam ze een paper tegen over polylactisch-co-glycolzuur (PLGA) polymeren die konden worden geactiveerd door bijna-infrarood licht en het vrijgeven van geneesmiddelen. Het polymeer zelf kon niet bijna-infrarood licht absorberen, maar de auteurs veronderstelden dat misschien water erin zat en dat beperkt water was wat op het licht reageerde en de drugsafgifte mogelijk maakte.

Die benadering was bijzonder intrigerend voor Tian omdat, in tegenstelling tot de gouden nanoroden of halfgeleidende polymeren die voor vergelijkbare doeleinden zijn gebruikt, PLGA-polymeren biologisch afbreekbaar zijn-dus ze vormen geen langetermijnrisico voor het lichaam en zijn al goedgekeurd door de Food and Drug Administration.

Tian wilde graag hun hypothese testen, maar tegelijkertijd zat ze nog steeds vast aan waar en hoe PLGA toe te passen als een lokale verwarming. In 2022 zag ze een studie van een team onder leiding van professor Guosong Hong aan de Stanford University die bijna-infrarood licht gebruikte om temperatuurgevoelige ionkanalen te verwarmen en gerichte diep-hersenen neurale activiteiten te besturen. De stukken begonnen in elkaar te passen.

“Ik werd erg enthousiast over dat werk, want als de neuronactiviteiten kunnen worden geactiveerd of geremd door gelokaliseerde verwarming, betekent dit dat we die PLGA -deeltjes voor dat doel zouden kunnen gebruiken,” zei Tian.

Ze besloot dat ze meer wilde leren, dus deed ze iets heel academisch. Ze ging terug naar school – en bracht een semester door in Stanford voor haar sabbatical.

“Ik bezocht de groep wiens krant ik las, en ik bleef in hun lab. Ik ging naar vergaderingen, ik zag ze de experimenten doen en ik volgde de klas die de PI elke week onderwees,” zei Tian. “Het voelde zo goed om weer een student te zijn, en ik kon aantekeningen maken en al die nieuwe concepten leren. Het was leuk.”

Tian keerde terug naar Cornell met een dieper begrip van neuromodulatie en hoe deze te combineren met het werk van haar lab bij het meten van thermisch transport en haar materiaalachtergrond.

Maar een gebied waarmee haar team niet veel ervaring had, was het uitvoeren van in vitro cel -experimenten, dus wendden ze zich tot het lab van Nozomi Nishimura, universitair hoofddocent biomedische engineering in Cornell Engineering, voor experimentele ondersteuning.

De onderzoekers probeerden twee verschillende methoden – single en dubbele emulsie – om de PLGA -nanodeeltjes te produceren. Ze ontdekten uiteindelijk dat enkele emulsie-waar waterzakken niet opzettelijk worden geïntroduceerd, maar eerder hoogfrequente geluidsgolven zorgen ervoor dat watermoleculen diffunderen in de deeltjes, beperkt worden-geresulteerd in kleinere waterzakken die, contra-intuïtief, een hogere temperatuur kunnen bereiken.

“De truc is dat het water zich anders gedraagt ​​wanneer het wordt beperkt in de kleine ruimtes. Het wordt efficiënter opgewarmd dan het normale bulkwater,” zei Tian. “En we hebben een polymeerlaag die werkt als een thermische isolator om de warmte binnen te vangen en ervoor te zorgen dat het niet te snel ontsnapt.”

Dat proces biedt het noodzakelijke contrast tussen het fotothermische middel, dat wil zeggen het beperkte water in het polymeer en de cellulaire omgeving, die gelokaliseerde warmte produceert.

Naast neuromodulatie is een andere veelbelovende toepassing van de technologie hyperthermie -therapie, waarbij kankercellen worden vernietigd door warmte, zodat chemotherapie en stralingsbehandeling effectiever kan zijn.

“U wilt zeer gericht, lokaal en nauwkeurig zijn en de temperatuur van de kankercellen verhogen, maar zonder de gezonde weefsels te kwetsen,” zei Tian. “Voor nu kunnen we een beetje begrijpen wat er aan de hand is met de fundamentele mechanismen binnen. We hebben de cellulaire test gedaan, zodat we kunnen zien dat de deeltjes veilig zijn, en ze interfereren niet met de belangrijkste cellulaire functies. Ik denk dat de volgende grote stap is om te gaan naar in vivo testen, waar we dit toepassen op diermodellen en de impact zien.”