Platform voor medicijnafgifte maakt gebruik van met lucht gevulde eiwitnanostructuren en gebruikt geluid voor targeting

Chemotherapie als behandeling voor kanker is een van de belangrijkste medische succesverhalen van de 20e eeuw, maar het is verre van perfect. Iedereen die chemotherapie heeft ondergaan of die een vriend of geliefde heeft meegemaakt, zal bekend zijn met de vele bijwerkingen: haaruitval, misselijkheid, een verzwakt immuunsysteem en zelfs onvruchtbaarheid en zenuwbeschadiging.

Dit komt omdat chemotherapiemedicijnen giftig zijn. Ze zijn bedoeld om kankercellen te doden door ze te vergiftigen, maar omdat kankercellen afkomstig zijn van gezonde cellen en substantieel op hen lijken, is het moeilijk om een ​​medicijn te maken dat ze doodt zonder ook gezond weefsel te beschadigen.

Maar nu hebben een paar Caltech-onderzoeksteams een geheel nieuw soort medicijnafgiftesysteem ontwikkeld, een systeem dat artsen volgens hen eindelijk de mogelijkheid zou kunnen geven om kanker op een meer gerichte manier te behandelen. Het systeem maakt gebruik van medicijnen die worden geactiveerd door middel van ultrageluid – en alleen daar waar ze nodig zijn in het lichaam.

Het systeem is ontwikkeld in de laboratoria van Maxwell Robb, universitair docent scheikunde, en Mikhail Shapiro, Max Delbrück hoogleraar chemische technologie en medische technologie en onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute.

In een papier verschijnen in het journaal Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappenlaten de onderzoekers zien hoe ze elementen uit elk van hun specialiteiten combineerden om het platform te creëren. Het artikel is getiteld “Afstandsbediening van mechanochemische reacties onder fysiologische omstandigheden met behulp van biocompatibele gerichte echografie.”

Door samen te werken, trouwden de twee onderzoeksteams met gasblaasjes (luchtgevulde eiwitcapsules die in sommige bacteriën voorkomen) en mechanoforen (moleculen die een chemische verandering ondergaan wanneer ze worden blootgesteld aan fysieke kracht). Het laboratorium van Shapiro heeft eerder gasblaasjes in combinatie met echografie gebruikt om individuele cellen in beeld te brengen en cellen nauwkeurig te verplaatsen.

Het laboratorium van Robb heeft op zijn beurt mechanoforen gemaakt die van kleur veranderen wanneer ze worden uitgerekt, waardoor ze bruikbaar zijn voor het detecteren van spanning in structuren, en andere mechanoforen die een kleiner molecuul, waaronder een medicijn, kunnen vrijgeven als reactie op een mechanische stimulus. Voor het nieuwe werk bedachten ze een manier om ultrasone golven als stimulus te gebruiken.

“We hebben hier heel lang over nagedacht”, zegt Robb. “Het begon toen ik voor het eerst bij Caltech en Mikhail kwam en ik begon gesprekken te voeren over de mechanische effecten van echografie.”

Toen ze de combinatie van mechanoforen en echografie begonnen te onderzoeken, ontdekten ze een probleem: echografie kon de mechanoforen activeren, maar alleen met een intensiteit die zo sterk was dat het ook aangrenzende weefsels beschadigde. Wat de onderzoekers nodig hadden, was een manier om de energie van de echografie precies daar te richten waar ze die wilden hebben. Het bleek dat de gasblaasjestechnologie van Shapiro de oplossing bood.

In zijn eerdere werk maakte Shapiro gebruik van de neiging van de blaasjes om te trillen of te ‘rinkelen’ als een bel wanneer ze worden gebombardeerd met ultrasone golven. In het huidige onderzoek worden de blaasjes echter zo hard geklopt dat ze breken, waardoor de ultrasone energie wordt geconcentreerd. De blaasjes worden in feite kleine bommen waarvan de explosies de mechanofoor activeren.

“Het uitoefenen van kracht via echografie is meestal afhankelijk van zeer intense omstandigheden die de implosie van kleine opgeloste gasbelletjes veroorzaken”, zegt Molly McFadden, Ph.D., co-auteur van het onderzoek. “Hun ineenstorting is de bron van mechanische kracht die de mechanofoor activeert. De blaasjes hebben een verhoogde gevoeligheid voor ultrageluid. Door ze te gebruiken, ontdekten we dat dezelfde mechanofooractivering kan worden bereikt onder veel zwakkere echografie.”

Yuxing Yao, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Shapiro, zegt dat dit de eerste keer is dat gerichte echografie een specifieke chemische reactie in een biologische omgeving kan beheersen.

“Eerder werd echografie gebruikt om dingen te verstoren of te verplaatsen”, zegt Yao. “Maar nu opent het een nieuwe weg voor ons met behulp van mechanochemie.”

Tot nu toe is het platform alleen onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden getest, maar in de toekomst zijn de onderzoekers van plan het in levende organismen te testen.