‘Plug and play’-nanodeeltjes kunnen het makkelijker maken om verschillende biologische doelwitten aan te pakken

Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben modulaire nanodeeltjes ontwikkeld die eenvoudig kunnen worden aangepast om zich te richten op verschillende biologische entiteiten zoals tumoren, virussen of toxines. Het oppervlak van de nanodeeltjes is ontworpen om alle gewenste biologische moleculen te huisvesten, waardoor het mogelijk wordt de nanodeeltjes aan te passen voor een breed scala aan toepassingen, variërend van gerichte medicijnafgifte tot neutraliserende biologische agentia.

De schoonheid van deze technologie ligt in de eenvoud en efficiëntie ervan. In plaats van geheel nieuwe nanodeeltjes voor elke specifieke toepassing te maken, kunnen onderzoekers nu een modulaire nanodeeltjesbasis gebruiken en gemakkelijk eiwitten koppelen die zich richten op een gewenste biologische entiteit.

In het verleden vereiste het creëren van verschillende nanodeeltjes voor verschillende biologische doelen elke keer een ander synthetisch proces van begin tot eind. Maar met deze nieuwe techniek kan dezelfde modulaire nanodeeltjesbasis eenvoudig worden aangepast om een ​​hele reeks gespecialiseerde nanodeeltjes te creëren.

“Dit is een plug-and-play-platformtechnologie die snelle modificatie van een functioneel biologisch nanodeeltje mogelijk maakt”, zegt Liangfang Zhang, hoogleraar nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Zhang en zijn team beschrijven hun werk in een artikel, getiteld “Een modulaire aanpak voor het verbeteren van de functionaliteit van met celmembraan gecoate nanodeeltjes met behulp van genetische manipulatie”, gepubliceerd op 30 oktober in Natuur Nanotechnologie.

De modulaire nanodeeltjes bestaan ​​uit biologisch afbreekbare polymeerkernen bedekt met genetisch gemodificeerde celmembranen. De sleutel tot hun modulaire ontwerp is een paar synthetische eiwitten, bekend als SpyCatcher en SpyTag, die specifiek zijn ontworpen om spontaan en uitsluitend met elkaar te binden. Dit paar wordt veel gebruikt in biologisch onderzoek om verschillende eiwitten te combineren.

In deze studie hebben Zhang en zijn team het paar ingezet om een ​​systeem te creëren waarmee interessante eiwitten gemakkelijk aan het oppervlak van nanodeeltjes kunnen worden bevestigd.

Zo werkt het: SpyCatcher is ingebed op het oppervlak van de nanodeeltjes, terwijl SpyTag chemisch is gekoppeld aan een eiwit van belang, zoals een eiwit dat zich richt op tumoren of virussen. Wanneer aan SpyTag gekoppelde eiwitten in contact komen met met SpyCatcher versierde nanodeeltjes, binden ze gemakkelijk aan elkaar, waardoor interessante eiwitten moeiteloos aan het oppervlak van de nanodeeltjes kunnen worden gehecht.

Om tumoren te targeten, kan SpyTag bijvoorbeeld worden gekoppeld aan een eiwit dat is ontworpen om tumorcellen op te sporen, en dat aan SpyTag gekoppelde eiwit wordt vervolgens aan het nanodeeltje gehecht. Als het doelwit zich op een specifiek virus richt, is het proces eveneens eenvoudig: koppel SpyTag eenvoudigweg aan een eiwit dat zich op het virus richt en bevestig dit aan het oppervlak van de nanodeeltjes.

“Het is een zeer eenvoudige, gestroomlijnde en ongecompliceerde benadering voor hetfunctionaliseren van nanodeeltjes voor elke biologische toepassing”, aldus Zhang.

Om de modulaire nanodeeltjes te maken, hebben de onderzoekers eerst genetisch gemanipuleerde menselijke embryonale niercellen (HEK) 293 – een veelgebruikte cellijn in biologisch onderzoek – gebruikt om SpyCatcher-eiwitten op hun oppervlak tot expressie te brengen. De celmembranen werden vervolgens geïsoleerd, in kleinere stukken gebroken en op biologisch afbreekbare polymeernanodeeltjes gecoat.

Deze nanodeeltjes werden vervolgens gemengd met SpyTag-gekoppelde eiwitten. In deze studie gebruikten de onderzoekers twee verschillende eiwitten: één gericht op de epidermale groeifactorreceptor (EGFR) en de andere gericht op menselijke epidermale groeifactorreceptor 2 (HER2), die beide voorkomen op het oppervlak van verschillende kankercellen.

Als proof of concept testten de onderzoekers deze nanodeeltjes bij muizen met eierstoktumoren. De nanodeeltjes werden beladen met docetaxel, een chemotherapiemedicijn, en elke drie dagen via intraveneuze injectie aan muizen toegediend, in totaal vier injecties. Behandeling met deze nanodeeltjes onderdrukte de tumorgroei en verbeterde de overlevingskansen. Behandelde muizen hadden een mediane overleving van 63 tot 71 dagen, terwijl de mediane overleving van onbehandelde muizen 24 tot 29 dagen was.

De onderzoekers willen het modulaire nanodeeltjesplatform voor gerichte medicijnafgifte verder verbeteren.

Naast de behandeling van kanker is Zhang enthousiast over andere mogelijke toepassingen van deze technologie. “Omdat we een modulaire basis van nanodeeltjes hebben, kunnen we gemakkelijk een neutraliserend middel aan het oppervlak bevestigen om virussen en biologische toxines te neutraliseren”, zei hij.

“Er is ook potentieel voor het maken van vaccins door een antigeen op het oppervlak van nanodeeltjes te bevestigen met behulp van dit modulaire platform. Dit opent de deur naar een verscheidenheid aan nieuwe therapeutische benaderingen.”