Onderzoekers ontwikkelen op nanotechnologie gebaseerde technologie om osteoporose te bestrijden

Onderzoekers van de University of Central Florida hebben een unieke technologie ontwikkeld voor de behandeling van osteoporose, waarbij nanobellen worden gebruikt om bepaalde delen van het lichaam te behandelen.

De nieuwe technologie is ontwikkeld door Mehdi Razavi, een assistent-professor aan het UCF’s College of Medicine en lid van de Biionix Cluster aan UCF, en UCF-student biomedische wetenschappen Angela Shar aan het Biomaterials and Nanomedicine Lab, als onderdeel van de focus van het lab op het ontwikkelen van tools voor diagnostiek en therapie.

Osteoporose is een ziekte die wordt gekenmerkt door een onbalans tussen het vermogen van het lichaam om nieuw botweefsel te vormen, of verbening, en het afbreken of verwijderen van oud bot, ook wel resorptie genoemd.

Volgens de Bone Health & Osteoporose Foundation (BHOF) suggereren onderzoeken dat een op de twee vrouwen en maximaal een op de vier mannen van 50 jaar en ouder een bot zal breken als gevolg van osteoporose. Experts voorspellen ook dat osteoporose tegen 2025 verantwoordelijk zal zijn voor ongeveer 3 miljoen fracturen en $ 25,3 miljard aan kosten per jaar.

Razavi zegt dat een gezond lichaam continu oud of beschadigd botweefsel in een gestaag tempo vervangt om een ​​goede botkwaliteit en -massa te garanderen.

“Maar wanneer de snelheid van botresorptie hoger wordt dan botvorming, leidt dit tot osteoporose, een systemische ziekte van het skeletstelsel”, zegt hij.

Veel osteoporosebehandelingen gebruiken tegenwoordig medicijnen zoals bisfosfonaten om botresorptie te remmen. Bijwerkingen kunnen osteonecrose van de kaak (vertraagde genezing van het kaakbot) en gastro-intestinale problemen zijn.

De UCF-uitvinding maakt echter gebruik van op ultrageluid reagerende nanobubbels om behandeling toe te dienen aan gerichte delen van het lichaam van een persoon.

“Er zijn veel nanoplatforms voor de behandeling van osteoporose”, zegt Razavi. “Maar het voordeel van op ultrageluid reagerende nanobellen is dat ze ultrageluid nodig hebben voor belverstoring en genafgifte. Echografie zelf kan botvorming zelfs vergemakkelijken.”

Een levensvatbaar, veilig alternatief, de UCF-uitvinding behandelt en voorkomt de effecten van osteoporose.

“Het is een dubbelwerkende technologie”, zegt Razavi. “Aan de ene kant verminder je de botresorptie en aan de andere kant verhoog je de botvorming met behulp van echografie.”

In één voorbeeldtoepassing dragen de nanobellen het aan osteoporose gerelateerde silencing- of knockdown-gen, cathepsine K klein interfererend ribonucleïnezuur (CTSK-siRNA).

Razavi zegt dat de nanobellen zowel het siRNA beschermen tegen directe interactie met zijn omgeving als zich richten op osteoclastcellen, de botcellen die het CTSK-gen dragen. CTSK is een belangrijke speler in het botresorptieproces.

“Dus we downreguleren, verminderen de hoge expressie daarvan [bone resorption] genen met behulp van siRNA’, zegt hij.

Hij voegde eraan toe dat het toedieningssysteem ook helpt om de afgifte van de behandeling te vertragen en de effectiviteit van het gen-uitschakelingsmechanisme te verlengen.

Elke nanobel kapselt de behandeling in een gaskern en een vloeibare schaal gemaakt van perfluorkoolstof.

“De gaskern helpt ons de nanobellen in beeld te brengen en te volgen”, zegt Razavi. “Het is ook ingebed met moleculen die zich op bot kunnen richten.”

“De bellen gaan in de botcellen, zoeken en vinden die genen die osteoporose veroorzaken, en ze begraven het CTSK-siRNA dat vervolgens een complex creëert”, zegt hij. “Dat complex is thermodynamisch onstabiel, en dat zal leiden tot een soort neerwaartse regulatie of uitschakeling van die genen. Als je de cathepsine K-expressie meet, krijg je daar een lagere expressie van.”

Voor gecontroleerde, sequentiële afgifte en behandeling op maat (bijvoorbeeld lage intensiteit voor oppervlakkige fracturen versus hoge intensiteit voor diepe laesies) kunnen de ultrasone parameters worden gewijzigd, waaronder blootstellingstijd, intensiteit, frequentie en golfvorm.

Razavi noemde andere toepassingen voor de uitvinding.

“Je kunt dit gebruiken voor kanker en andere toepassingen, zoals neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer”, zegt hij.

Een voordeel van nanobellen ten opzichte van microbellen is hun vermogen om door het celmembraan te gaan om therapieën af te geven.

“Echografie kan de bloed-hersenbarrière daadwerkelijk openen om de migratie van de nanobellen naar de neurale cellen voor genafgifte te vergemakkelijken”, zegt hij.

Chemotherapeutische medicijnen kunnen in de bubbels worden ingekapseld en vervolgens worden geïnjecteerd om tumoren aan te pakken. Omdat deze bellen een gaskern hebben, kunnen ze ook zuurstof afgeven.

“Een oplossing hier is om zuurstof in het weefsel te brengen om regeneratie te vergemakkelijken”, zegt hij. “We proberen benaderingen te vinden die wereldwijd kunnen worden ingezet, die niet-invasief, algemeen verkrijgbaar, draagbaar en goedkoop zijn.”

Het onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift Nanogeneeskunde: nanotechnologie, biologie en geneeskunde.