Onderzoekers ontwikkelen een nieuw ‘framboosvormig’ nanodeeltje voor nauwkeurige medicijnafgifte

Een binair mengsel van mesoporeuze silica-nanodeeltjes plus een organisch polyammoniumadditief (kleurstof of medicijn) wordt bij milde verhitting netjes omgezet in holle nanodeeltjes. De vernieuwde schaal van nanodeeltjes is een georganiseerde assemblage op nanoschaal van bolvormige additieven/silica-subeenheden en kankercelassays tonen aan dat een beladen medicijnadditief biologisch beschikbaar is. Credit: Nanoschaal (2022). DOI: 10.1039/D2NR05528G

Een nieuw ontdekte techniek, gerapporteerd in het tijdschrift Nanoschaalbiedt een goedkope manier om de effectiviteit van bestaande medicijnen te verbeteren.

“Als je zand neemt en het verhit tot 500 graden Celsius, verandert er niets”, zegt Bradley Smith, de Emil T. Hofman Professor of Science aan de Universiteit van Notre Dame.

Dus Smith, die ook de directeur is van Notre Dame’s Integrated Imaging Facility, was verbaasd toen Canjia Zhai en Cassandra Shaffer, twee promovendi van de afdeling Chemie en Biochemie die in zijn laboratorium werkten, ontdekten dat ze de structuur van deeltjes van silica – het hoofdbestanddeel van zand – bij 80 graden Celsius, een temperatuur vergelijkbaar met die van een kopje koffie.

De ontdekking gebeurde per ongeluk. De deeltjes waren microscopisch klein – een duizendste van de diameter van een mensenhaar. Maar net als hun grotere tegenhangers met de markering “silicagel” in verpakkingen die aan nieuwe kledingstukken zijn bevestigd, waren deze deeltjes poreus en konden ze een chemische stof vasthouden. In dit geval was die chemische stof een blauwe kleurstof die werd gebruikt om tumoren bij muizen op te sporen.

De nieuwe kleurstof, die was ontwikkeld in het laboratorium van Smith, deed er lang over om de nauwe poriën in de deeltjes binnen te dringen. Dus om de moleculen sneller te laten bewegen, verwarmden Shaffer en Zhai het mengsel tot net onder het kookpunt en lieten het een nacht staan. Toen ze de volgende dag terugkwamen, konden ze zien dat de deeltjes blauw waren geworden.

Om te bevestigen dat de kleurstof volledig was doordrenkt, riepen Shaffer en Zhai de hulp in van Tatyana Orlova en Maksym Zhukovskyi, microscopie-experts bij de Notre Dame Integrated Imaging Facility.

Orlova en Zhukovskyi produceerden elektronenmicroscopiebeelden met een hoge resolutie die aantoonden dat niet alleen de kleurstof was doordrenkt, maar ook dat de silicadeeltjes zelf van vorm waren veranderd. De oorspronkelijke deeltjes waren eenzame bollen die licht bezaaid waren met poriën, zoals de schil van een sinaasappel. De nieuwe structuren waren bolvormig en waren samengesteld uit kleinere met kleurstof gevulde bolletjes. Ze hadden ook hier en daar kleine openingen die een holle kern aan de binnenkant onthulden. De totale eenheid leek op een holle framboos.

Na de verrassing van de eerste ontdekking kwamen er een aantal praktische vragen. Welke andere chemicaliën zouden de onderzoekers in vergelijkbare framboosvormige deeltjes kunnen laden? En, belangrijker nog, zouden die chemicaliën actief blijven, zelfs nadat hun omringende structuren van vorm waren veranderd?

Collega-promovendus Jordan Chasteen ging op deze vragen in en herhaalde het proces met een kankermedicijn. Na een reeks tests bevestigde hij dat het kankermedicijn dat in de deeltjes was geladen, nog steeds actief was en in staat was kankercellen te doden.

Deze ontdekking biedt een nieuw hulpmiddel om bestaande medicijnen effectiever te maken, zei Smith.

“Wat we nu hebben, is een manier om de hele catalogus van amine-bevattende medicijnen te doorlopen, en door de eenvoudige stappen te volgen die we hebben ontdekt, kunnen we nieuwe versies van bestaande medicijnen maken die effectiever kunnen zijn of minder ongewenste bijwerkingen hebben, ” hij zei.

Smith en zijn studenten hebben ontdekt dat subtiele veranderingen in de laadprocedure hen in staat stellen de dikte van de deeltjes te variëren, wat een hele reeks nieuwe opties biedt om de deeltjes te verfijnen om medicijnen met verschillende snelheden af ​​te geven. De unieke structuur van het nieuwe deeltje kan het ook mogelijk maken om het te laden met meer dan één ingrediënt – bijvoorbeeld een medicijn in de buitenste laag en een kleurstof in de “framboos” – om onderzoekers beter in staat te stellen te observeren hoe medicijnen vrijkomen.

Bovendien werpt het nieuwe deeltje, zegt Smith, ook licht op een weinig begrepen biologisch fenomeen dat bekend staat als biomineralisatie.

“We hebben ontdekt dat amine-bevattende medicijnen bepaalde chemische eigenschappen hebben die het afbraak- en hervormingsproces in silica versnellen, en we denken dat het vergelijkbaar is met wat er in de natuur gebeurt,” zei hij. Smith noemt als voorbeeld diatomeeën, een soort microscopisch klein plankton, en hun delicate glasachtige schelpen gevormd uit silica.

“Deze micro-organismen hebben mechanismen waarmee ze zand kunnen opnemen en het in hun schelpen kunnen veranderen”, zegt hij. “En ze doen het duidelijk bij relatief lage temperatuur met behulp van organische moleculen. Wat we hebben ontdekt, is mogelijk een deel van de chemie achter dat proces.”

Terwijl Smith en zijn lab blijven innoveren, halen ze zowel inspiratie uit de natuur als uit ontdekkingen in het lab. “De brede les hier,” zegt hij, “is dat we in het lab kunnen ontdekken hoe natuurlijke processen werken, en dan kunnen we die kennis gebruiken en die processen nabootsen om iets compleet nieuws te ontwerpen.”