Velcro-methode voor een nauwkeurigere binding van geneesmiddeldeeltjes

Om geneesmiddeldeeltjes op de juiste plaats in het lichaam te brengen – een veld dat bekend staat als nanogeneeskunde – speelt selectiviteit een belangrijke rol. Het medicijn hoeft zich immers alleen te hechten aan de cellen die het nodig hebben. Een theorie uit 2011 voorspelt dat selectiviteit niet alleen gebaseerd is op het type receptor, maar ook op het aantal en de sterkte van de receptoren op de cel. Dat bewijzen onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven nu experimenteel. Ze hebben hun resultaten in het tijdschrift gepubliceerd PNAS.

Cellen communiceren met elkaar via receptoren en liganden. Ze passen op elkaar als een sleutel in een slot; een ligand van de ene cel past alleen op de juiste doelreceptor van de andere cel. De nanogeneeskunde maakt hiervan gebruik door liganden na te bootsen die passen bij de receptoren van de zieke cel die het medicijn nodig heeft.

In 2011 gebruikten Daan Frenkel en zijn groep in Cambridge een theoretisch model om te voorspellen dat niet alleen het type liganden en receptoren een grote rol spelen, maar ook het aantal en de sterkte. Dit betekent dat zelfs zwakke liganden kunnen binden, zolang er maar voldoende receptoren op het oppervlak van de doelcel aanwezig zijn. Onderzoekers Max Scheepers, Leo van IJzendoorn en Menno Prins, allemaal onderdeel van het Instituut voor Complexe Moleculaire Systemen, hebben deze theorie nu voor het eerst experimenteel bewezen met deeltjes.

Veel zwakke banden worden sterk

Van IJzendoorn: “Vergelijk het met klittenband. Als er één haak wordt vastgemaakt, plakt de strip niet direct. Pas als er meerdere haken worden vastgemaakt, wordt de verbinding sterk genoeg. Zo werkt het ook in het menselijk lichaam; de zwakke binding van een ligand op een receptor wordt enorm sterk naarmate er meer zijn. “

En dat is een handige functie voor nanogeneeskunde. Zieke cellen hebben niet altijd andere receptoren dan gezonde cellen, maar ze hebben vaak meer receptoren op hun celwanden. Door het medicijn zo te ontwikkelen dat het alleen aan cellen met veel receptoren kleeft, kun je toch onderscheid maken tussen zieke en gezonde cellen. Dit maakt het mogelijk om de geneesmiddeldeeltjes nauwkeuriger naar de zieke cellen in het lichaam te sturen.

Enkelstrengs DNA als receptor en ligand

“We hebben nu experimenteel met deeltjes aangetoond dat veel zwakke liganden een hoge selectiviteit geven: De deeltjes binden pas als er precies genoeg receptoren aanwezig zijn. Hierdoor ontstaat een drempelwaarde”, legt van IJzendoorn uit. De onderzoekers voerden hiervoor een bindingsexperiment uit, waarbij ze deeltjes ontwerpen met ofwel receptor-DNA ofwel ligand-DNA op het oppervlak.

Een magnetisch veld trok de deeltjes eerst naar elkaar toe en liet ze na enige tijd weer los. Van IJzendoorn: “Hierdoor konden we optisch meten hoeveel deeltjes een sterke moleculaire binding met elkaar hadden ontwikkeld.”

Door het aantal DNA-moleculen en de sterkte van de ligand-receptorbinding te variëren, konden de onderzoekers niet alleen zien hoeveel bindingen nodig waren om de deeltjes aan elkaar te binden, maar ook het ontstaan ​​van de drempelwaarde waarnemen.

Nanogeneeskunde en biosensoren

Van IJzendoorn: “Deze resultaten vormen een nieuwe maatstaf voor het begrijpen en toepassen van selectiviteit in biomedische toepassingen. Het werk biedt een fundamentele basis voor het ontwerp van bindingsprocessen in nanogeneeskunde. Daarnaast is het belangrijk voor de ontwikkeling van nanotechnologische biosensoren, omdat deeltjes worden ook in deze systemen gebruikt voor het aangaan van selectieve obligaties. “

Dit onderzoek is op 24 augustus gepubliceerd in het tijdschrift PNAS, getiteld “Multivalente zwakke interacties versterken de selectiviteit van interdeeltjesbinding.” Het onderzoek is uitgevoerd aan de Technische Universiteit Eindhoven, bij de afdelingen Technische Natuurkunde en Biomedische Technologie en het Instituut voor Complexe Moleculaire Systemen.