‘Net als een visnet’ stort nanonet in om medicijnmoleculen te vangen

een chemische structuur van PPSU die de polymeerhoofdketen en zuurstofatomen toont die respectievelijk positieve / negatieve (blauw / rode) atomaire partiële ladingen dragen. b Momentopname van atomistische simulatie die een dissolutie-complementariteitsevenwicht in DMSO toont voor zes PPSU20-ketens. Inzet is een bovenbouw gevormd door PPSU zelfcomplementariteit. c PPSU-zelfcomplementariteit leidt tot een 2D omkeerbare bovenbouw met verrijking van zuurstofatomen op het oppervlak. Vorming van 3D-superstructuren wordt geremd in DMSO vanwege de sterke afstoting tussen lagen. d Gemiddelde dipolaire energieën per dipool-dipoolpaar van sulfon-sulfon en sulfon-oplosmiddel. Foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie van drie parallelle simulaties. e Atomistische simulatie-momentopname die de vorming van een 3D-bovenbouw toont door PPSU-bundeling in water. Inzet met de 3D-bovenbouw met of zonder watermoleculen. Credit: Nature Communications (2020). DOI: 10.1038 / s41467-020-18657-5

Onderzoekers van de Northwestern University werpen een net uit voor nanodeeltjes.

Het team heeft een nieuwe, snelle methode ontdekt om nanodeeltjes te fabriceren uit een eenvoudig, zelfassemblerend polymeer. De nieuwe methode biedt nieuwe mogelijkheden voor diverse toepassingen, waaronder waterzuivering, diagnostiek en snel genererende vaccinformuleringen, waarvoor doorgaans veel verschillende soorten moleculen moeten worden opgevangen of tegelijkertijd moeten worden afgegeven.

Met behulp van een polymeernet dat instort tot hydrogels op nanoschaal (of nanogelen), vangt de methode op efficiënte wijze meer dan 95% van de eiwitten, DNA of geneesmiddelen met kleine moleculen op – alleen of in combinaties. Ter vergelijking: het laadrendement ligt typisch tussen 5% en 20% voor andere systemen voor het afleveren van nanodeeltjes.

“We gebruiken een polymeer dat een breed net vormt in een waterige oplossing”, zei Evan A. Scott van Northwestern, die het onderzoek leidde. “Vervolgens zorgen we ervoor dat het net instort. Het verzamelt alles in de oplossing en houdt therapeutica vast in nanogel-bezorgvoertuigen met een zeer hoge efficiëntie.”

“Het werkt als een visnet, dat zich eerst uitspreidt als gevolg van elektrostatische afstoting en vervolgens krimpt bij hydratatie om ‘vissen’ te vangen,” voegde Fanfan Du toe, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Scott.

Het artikel werd vorige week (29 september) in het tijdschrift gepubliceerd Nature Communications.

Scott is de Kay Davis Professor of Biomedical Engineering aan de Northwestern’s McCormick School of Engineering. Noordwestelijke professoren Monica Olvera de la Cruz en Vinayak Dravid waren coauteurs van de krant.

Moleculen die in de natuur worden aangetroffen, zoals DNA en peptiden, kunnen zichzelf snel assembleren en organiseren in diverse structuren. Het nabootsen van dit proces met door mensen gemaakte polymeersystemen is echter beperkt gebleven. Eerder ontwikkelde processen voor zelfassemblerende medicijnafgiftesystemen zijn tijdrovend, arbeidsintensief en moeilijk schaalbaar. De processen zijn ook vaak jammerlijk inefficiënt, met als hoogtepunt dat een klein deel van het medicijn daadwerkelijk in het toedieningssysteem terechtkomt.

“Klinische toepassing van zelf-geassembleerde nanodeeltjes is beperkt door problemen met schaalbaarheid en met het laden van grote of meerdere therapieën, vooral eiwitten,” zei Scott. “We presenteren een zeer schaalbaar mechanisme dat vrijwel elk therapeutisch molecuul met hoge efficiëntie stabiel kan laden.”

Het team van Scott vond succes door een polypropyleensulfon (PPSU) homopolymeer te gebruiken, dat zeer oplosbaar is in dimethylsulfoxide (DMSO) -oplossing, maar elektrostatische en hydrofiele aggregaten vormt in water. De aggregaten zijn amfifiel, waardoor ze zich samenvoegen tot netwerken en uiteindelijk instorten tot gels.

“Door meer water toe te voegen, stort het netwerk in, wat leidt tot de vorming van nanogels”, zei Du. “De manier waarop water wordt toegevoegd, heeft invloed op de vorming van de PPSU-keten, waardoor de grootte en structuur van de nanogels verandert.”

Atomistische simulaties – uitgevoerd door Baofu Qiao in de Olvera de la Cruz-groep – bevestigden dat de nanostructuren werden gestabiliseerd door een zwakke sulfon-sulfon-binding. Met behulp van grofkorrelige simulaties uitgevoerd door Northwestern postdoctoraal fellow Trung Dac Nguyen, observeerden de onderzoekers de nanonet-structuren. Dit opent een nieuwe weg voor de assemblage van zachte materialen door middel van sulfon-sulfon-binding.

Naast toepassingen voor medicijnafgifte, geloven de onderzoekers ook dat de nieuwe methode kan worden gebruikt voor waterzuivering. Het netwerk zou kunnen instorten om verontreinigingen in het water op te vangen, waardoor zuiver water achterblijft.