Wetenschappers distilleren koemelk tot nanocapsules voor medicijnafgifte

Exosomen zijn biologische capsules van nanoformaat die cellen produceren om delicate moleculen door het hele lichaam te beschermen en te transporteren. De capsules zijn sterk genoeg om enzymatische afbraak te weerstaan, evenals zure en temperatuurschommelingen in de darm en de bloedbaan, waardoor ze een uitstekende kandidaat zijn voor medicijnafgifte.

Het oogsten ervan om klinische zuiverheidsniveaus te bereiken, is echter een complex proces.

“Exosomen zijn overvloedig aanwezig in koemelk, maar ze zijn moeilijk te isoleren van andere melkeiwitten en -lipiden”, zegt Rob Gourdie, professor en directeur van het Center for Vascular and Heart Research van het Fralin Biomedical Research Institute bij VTC.

Het laboratorium van Gourdie ontwikkelde een schaalbare methode om exosomen te oogsten uit ongepasteuriseerde koemelk. Met behulp van deze zuiveringsmethode, die deze maand werd gepubliceerd in nanotheranostiek, kan het onderzoeksteam ongeveer een kopje gezuiverde exosomen extraheren voor elke gallon ongepasteuriseerde melk.

“Voor de eerste keer hebben we een pad uitgestippeld naar de industriële schaalbaarheid van exosoomzuivering voor orale toediening van medicijnen”, zegt Gourdie, die ook de Commonwealth Research Commercialization Fund Eminent Scholar in Heart Reparative Medicine Research is en een professor in biomedische technologie en mechanica in Virginia Tech’s College of Engineering.

Het onderzoeksteam ontwikkelde hun meerstaps, kosteneffectieve zuiveringsproces, dat filtratiemethoden en timing van temperatuur en chemische behandelingen die calciumniveaus beïnvloeden, optimaliseert tijdens de COVID-19-pandemie. Spencer Marsh en Kevin Pridham, beiden postdoctoraal fellows in het laboratorium van Gourdie bij het Fralin Biomedical Research Institute, en Jane Jourdan, de laboratoriummanager van Gourdie, deden het praktische werk om de gepatenteerde procedure te ontwikkelen.

“Ons team werkte tijdens de pandemie effectief en veilig samen aan dit project”, zei Gourdie. “Het was een lust voor het oog – hun onbaatzuchtige teamwerk, enthousiasme en toewijding om uitdagingen te overwinnen is iets dat niet zo vaak voorkomt als je zou denken in de wetenschap. Er waren veel mislukkingen, maar uiteindelijk kwamen we erachter dat stapsgewijze processen werkten.”

Joy Wolfram, assistent-professor geneeskunde aan de Mayo Clinic die niet betrokken was bij de studie, zegt dat het nieuwe protocol het farmaceutische potentieel voor exosomen bevordert.

“Wat opmerkelijk is, is de hoeveelheid extracellulaire blaasjes die ze kunnen produceren. Het isoleren en produceren van extracellulaire blaasjes op een schaalbare manier heeft hun vertaling naar de kliniek altijd verhinderd, maar dit artikel toont een pad om die wegversperringen te overwinnen,” zei Wolfram. Wolfram publiceerde eerder een protocol voor het gebruik van tangentiële stroomfiltratietechnologie dat Gourdie’s team heeft aangepast om de melk-exosomen te isoleren.

Exosomen worden op natuurlijke wijze uitgescheiden door bijna alle celtypen bij mensen en andere zoogdieren en kunnen overvloedig worden aangetroffen in bloed, lymfe, urine en melk. Bekleed met beschermende membranen, sturen exosomen biomoleculen, fragmenten van genetisch materiaal en chemische signalen tussen cellen over grote afstanden.

In het afgelopen decennium is het onderzoek naar hun farmaceutische toepassingen – met name voor de levering van kwetsbare medicijnen, zoals peptiden en microRNA’s – enorm toegenomen.

“Stel je voor dat je verpleegster je in plaats van een vaccinshot een milkshake geeft. Een andere milkshake kan exosomen bevatten die zijn geladen met een therapeutisch peptide dat is ontworpen om interne organen zoals het hart te beschermen tegen een hartinfarct,” zei Gourdie.

Exosomen kunnen ook de bloed-hersenbarrière binnendringen, een membraan dat de hersenen beschermt tegen ongewenste pathogenen en chemicaliën, waardoor een nieuwe manier wordt geïntroduceerd om therapieën te leveren voor de behandeling van neurologische ziekten en hersenkanker.

“Het verbeteren van de levensvatbaarheid van het gebruik van exosomen opent een breed scala aan methoden voor medicijnafgifte met onbeperkte klinische toepassingen,” zei Gourdie.

Gourdie werkte samen met Homestead Creamery, een lokale zuivelverwerkingsfabriek, om ongepasteuriseerde melkmonsters voor het onderzoek te verkrijgen.

“We hebben ons bedrijf altijd gebouwd op relaties, en dit is een opwindende samenwerking voor ons”, zegt Donnie Montgomery, mede-oprichter en mede-eigenaar van Homestead Creamery.

Vorig jaar gaf Gourdie een licentie voor het intellectuele eigendom om hartmedicijnen te leveren met behulp van exosomen via Virginia Tech’s LICENSE: Center for Technology Commercialization en richtte hij The Tiny Cargo Co op.