Micronaalden ontsluiten het therapeutische potentieel van curcumine

Hoewel kurkumawortel al eeuwenlang medicinaal wordt gebruikt over de hele wereld, heeft de wetenschap ontdekt dat de belangrijkste chemische component, curcumine, in het lichaam wordt afgebroken voordat de uiteindelijke voordelen ervan kunnen worden bereikt. Een opwindende samenwerking tussen onderzoekers van de Carnegie Mellon University, Sai Yerneni, Phil Campbell, Burak Ozdoganlar en Ezgi Yalcintas, heeft een benadering gecreëerd om het gebruik van curcumine als een robuust therapeutisch middel op unieke wijze mogelijk te maken.

Curcumine is een antikanker, ontstekingsremmend, antioxiderend en antibacterieel polyfenol dat wordt aangetroffen in kurkuma. De geïsoleerde, zuivere vorm is echter niet stabiel vanwege de snelle afbraak in en verwijdering uit het lichaam. Dit vormt een van de grootste obstakels voor de vertaling ervan als een praktisch therapeutisch middel. Het dient ook als motivatie voor onderzoekers om inkapselingsstrategieën te onderzoeken om de curcumine in het menselijk lichaam te beschermen.

Een dergelijke inkapselingsbenadering is om curcumine op te nemen in exosomen. Exosomen zijn nanometrische extracellulaire blaasjes die het menselijk lichaam gebruikt voor cel-tot-cel communicatie door eiwitten, lipiden, nucleïnezuren en metabolieten te verplaatsen. Door curcumine in exosomen te plaatsen, is de chemische stof stabiel genoeg om door het lichaam te reizen en zijn therapeutische effect te bereiken. Hoewel andere onderzoekers hebben geprobeerd exosomen te gebruiken om curcumine af te geven, was de verbetering van de stabiliteit van curcumine onvoldoende voor gebruik als therapeutisch middel.

Albumine, een natuurlijk stabiliserend eiwit dat in het menselijk lichaam voorkomt, kan deze uitdaging aan. Yerneni, een postdoctoraal onderzoeker in chemische technologie, en Campbell, een onderzoeksprofessor in biomedische technologie, hebben een hybride benadering ontwikkeld om de unieke eigenschappen van zowel exosomen als albumine te benutten. Ze ontwikkelden een exosoom-albumine hybride systeem om therapieën te leveren, waaronder curcumine.

“Eerdere pogingen om curcumine in verschillende lipidemembraangebonden nanodeeltjes te laden, hadden te lijden van het feit dat de curcumine ofwel onbetrouwbaar werd geladen of onderhevig was aan korte retentietijden, terwijl de opname van albumine zich bindt aan de curcumine en het in het lumen van het exosoom houdt, beschermd tegen afbraak, ‘ zei Campbell.

Hoewel albumine-curcumine-associatie en exosoominkapseling een stabiel medicijnafgiftesysteem zouden kunnen bieden, blijft gerichte levering aan gewenste weefsels of organen een andere uitdaging. Wanneer ze in het bloed worden geïnjecteerd, hebben de meeste exosomen de neiging zich op te hopen in de lever in plaats van het beoogde orgaan of weefsel te bereiken. Hiertoe is het een aantrekkelijke benadering om de curcumine-albumine-bevattende exosomen te leveren met behulp van micronaald-array-patches voor huidgerichte toepassingen.

Microneedle arrays (MNA) bevatten tientallen of honderden naalden, elk zo dun als een mensenhaar en onzichtbaar voor het blote oog. Via een fabricage- en applicatieproces worden deze naalden op microschaal eerst gerangschikt in een array-formaat op een patch kleiner dan een cent. Oplosbare micronaalden worden gevormd door het medicijn – in dit geval exosomen – te mengen met een soort suiker en ze in hun vorm te laten stollen.

Wanneer ze in weefsel worden ingebracht, lossen de naalden op en geven ze het medicijn op een gerichte en precieze manier af. Door hun kleine formaat veroorzaken micronaalden geen weefselbeschadiging. Als zodanig kunnen ze worden gebruikt als een pijnvrije manier om therapieën in of door de huid af te geven, waardoor de therapietrouw van de patiënt en gerichte toediening wordt verbeterd. Met name de micronaaldpleisters kunnen door de patiënten zelf worden toegediend zonder gespecialiseerde apparatuur of training.

De onderzoekers vonden nog een groot voordeel van het gebruik van MNA’s. Toen de exosoom-versterkte curcumineverbindingen werden opgenomen in MNA’s, ontdekte het team dat de stabiliteit van deze verbindingen bij kamertemperatuur dramatisch toenam. Het systeem kan tot een jaar worden opgeslagen zonder dat het gekoeld hoeft te worden bewaard.

“Dit is groot omdat een van de belangrijkste nadelen van de huidige vaccins de logistiek van transport is waarvoor koude opslag nodig is”, zei Yerneni. Hij legt uit dat dit vooral in het nadeel is van armere landen die geen lange bevoorradingsketens voor koude opslag kunnen faciliteren. Yerneni is optimistisch dat deze technologie die hindernissen kan overwinnen.

Een gezamenlijke reis

Yerneni en Campbell hadden niet ver hoeven te gaan om een ​​medewerker te vinden voor het leveren van exosomen met behulp van micronaald-arrays, want een van ’s werelds toonaangevende experts in de technologie was verderop in de hal. Burak Ozdoganlar, een professor in werktuigbouwkunde, leidde al meer dan tien jaar inspanningen om verschillende micronaalden te ontwikkelen met wijlen Lee Weiss, een professor in Carnegie Mellon’s Robotics Institute.

Een van de oorspronkelijke inspiratiebronnen voor MNA’s kwam van Weiss, die het idee van ‘micro-klittenband’ of micro-weerhaken bedacht, een reeks titaniumprojecten in de vorm van een pijlpunt. Ozdoganlar en Weiss werkten halverwege de jaren 2000 samen en ontwikkelden productiemethoden om de “micro-klittenband” tot wasdom te brengen. Later werkte Ozdoganlar samen met medische onderzoekers van de Universiteit van Pittsburgh om de toepassing van MNA’s aan te tonen voor een reeks ziekten en aandoeningen, waaronder huidkanker, en meer recentelijk voor COVID-vaccinatie.

Yalcintas, een voormalig Ph.D. student van de onderzoeksgroep van Ozdoganlar, werkte nauw samen met Yerneni aan het curcumineproject. “Dit was een echte samenwerking tussen twee uitstekende onderzoeksgroepen. Dankzij het uitstekende werk van Ezgi en Sai hebben we met succes de lokale afgifte van curcumine aan de huid aangetoond en de werkzaamheid ervan bij het blokkeren en verminderen van ontstekingen”, aldus Ozdoganlar. “Dit kan een grote invloed hebben op de behandeling van een reeks huidaandoeningen en mogelijk verschillende huidkankers.”

Gepubliceerd in Acta Biomaterialia, toont het onderzoek van het team aan dat het exosoom/MNA hybride systeem een ​​effectieve manier is om curcumine aan de huid af te geven. Hierdoor kunnen artsen curcumine gebruiken als een volledig natuurlijk therapeutisch middel. Het team heeft aangetoond dat dit een effectieve behandeling is voor het verminderen van lokale huidontstekingen in kleine diermodellen, maar verder onderzoek is nodig om de andere eigenschappen van curcumine te onderzoeken.

Vervolgens is het team van plan verdere experimenten uit te voeren met behulp van ziektespecifieke diermodellen om te bewijzen dat de voordelen van curcumine kunnen worden gerealiseerd met behulp van een exosoom-albumine-afgiftesysteem en micronaald-arrays.

“We hebben met succes het toedieningssysteem van exosoom-albumine met curcumine geladen”, zei Yerneni. “Deze technologie wordt uitgebreid om andere medicijnen te leveren en mogelijk andere huidziekten zoals kanker (melanoom), psoriasis en huidzweren te beheersen.”