Zachte röntgenmethode belooft doorbraken op het gebied van nanodragers voor slimme medicijnen

Voordat het enorme potentieel van kleine nanodragers voor zeer gerichte medicijnafgifte en milieusanering kan worden gerealiseerd, moeten wetenschappers ze eerst kunnen zien.

Momenteel zijn onderzoekers afhankelijk van het bevestigen van fluorescerende kleurstoffen of zware metalen om delen van organische nanodragerstructuren te labelen voor onderzoek, waarbij ze vaak tijdens het proces veranderen. Een nieuwe techniek die chemisch gevoelige “zachte” röntgenstralen gebruikt, biedt een eenvoudigere, niet-verstorende manier om inzicht te krijgen in deze nanowereld.

In een studie gepubliceerd door Nature Communicationsdemonstreert een onderzoeksteam het vermogen van de röntgenmethode op een nanodeeltje voor slimme medicijnafgifte en een polysoap-nanostructuur die bedoeld is om in de oceaan gemorste ruwe olie op te vangen.

“We hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om naar de interne structuur, de chemie en het milieugedrag van nanodragers te kijken zonder enige etikettering – een nieuwe mogelijkheid die tot nu toe niet mogelijk was”, zegt Brian Collins, fysicus van de Washington State University en corresponderende auteur op de studie. “Momenteel heb je fluorescerende tags nodig om in nanodragers te kijken, maar dit kan hun structuur en gedrag veranderen, vooral als ze gemaakt zijn van op koolstof gebaseerde materialen. Met deze nieuwe techniek hebben we in deze nanodragers kunnen kijken, analyseren hun chemische identiteiten en concentraties – en doe dit allemaal in hun volledig natuurlijke staat, inclusief hun wateromgeving. “

Organische nanodragers die worden gebruikt voor medicijnafgifte, zijn vaak gemaakt van op koolstof gebaseerde moleculen, die van water houden of een hekel hebben aan water. Deze zogenaamde hydrofiele en hydrofobe moleculen zijn aan elkaar gehecht en zullen zichzelf in water assembleren, waarbij het water-hatende deel zich verstopt in een schaal van de waterminnende segmenten.

Hydrofobe medicijnen zullen zichzelf ook in de structuur inbrengen, die is ontworpen om het medicijn alleen in de zieke omgeving te openen en af ​​te geven. Nanodragertechnologie heeft bijvoorbeeld het potentieel om chemotherapie mogelijk te maken die alleen kankercellen doodt zonder de patiënt ziek te maken, waardoor effectievere doses mogelijk zijn.

Hoewel nanodragers op deze manier kunnen worden gemaakt, kunnen onderzoekers niet gemakkelijk de details van hun structuren zien of zelfs hoeveel medicijn er binnenblijft of naar buiten lekt. Het gebruik van fluorescerende labels kan delen van nanodragers accentueren – ze zelfs laten fonkelen – maar ze veranderen ook de dragers in het proces, soms aanzienlijk.

In plaats daarvan gebruikt de techniek die Collins en zijn collega’s hebben ontwikkeld zachte resonerende röntgenstralen om de nanodragers te analyseren. Zachte röntgenstralen zijn een speciaal soort licht dat tussen ultraviolet licht en harde röntgenstralen in ligt, het soort dat door artsen wordt gebruikt om een ​​gebroken bot te bekijken. Deze speciale röntgenstralen worden door bijna alles geabsorbeerd, inclusief de lucht, dus de nieuwe techniek vereist een omgeving met een hoog vacuüm.

Het team van Collins paste een zachte röntgenmethode aan om printbare, op koolstof gebaseerde, plastic elektronica te onderzoeken, zodat het zou werken op deze op water gebaseerde organische nanodragers – door een dun plakje water te penetreren om het te doen.

Elke chemische binding absorbeert een andere golflengte of kleur van zachte röntgenstralen, dus voor deze studie selecteerden onderzoekers röntgenkleuren om verschillende delen van een slimme medicijn-nanodrager te verlichten door hun unieke bindingen.

“We hebben de röntgenkleur in wezen afgestemd om onderscheid te maken tussen de bindingen die zich al in het molecuul bevinden”, zei Collins.

Hierdoor konden ze evalueren hoeveel en welk type materiaal er in de binnenste kern zat, de grootte en het watergehalte in de omliggende nanoschil en hoe de nanodrager reageerde op een veranderende omgeving.

Ze gebruikten ook de zachte röntgentechniek om een ​​polysoap-nanodrager te onderzoeken die was ontwikkeld om in de oceaan gemorste ruwe olie op te vangen. Polysoaps kunnen een nanodrager maken van een enkel molecuul, waardoor hun oppervlakte wordt gemaximaliseerd voor het opvangen van koolwaterstoffen, zoals die worden aangetroffen bij een olievlek. Met behulp van de nieuwe techniek ontdekten de onderzoekers dat de open sponsachtige structuur van een polysoap kan blijven bestaan ​​van hoge naar lage concentraties, waardoor deze effectiever wordt in praktijktoepassingen.

“Het is belangrijk dat onderzoekers al deze structuren van dichtbij kunnen bekijken, zodat ze kostbaar vallen en opstaan ​​kunnen vermijden”, aldus Collins.

Deze techniek zou onderzoekers in staat moeten stellen het gedrag van deze structuren in verschillende omgevingen te beoordelen, zei Collins. Voor slimme medicijnafgifte kunnen er bijvoorbeeld verschillende temperaturen, pH-niveaus en stimuli in het lichaam zijn, en onderzoekers willen weten of de nanostructuren bij elkaar blijven totdat de omstandigheden goed zijn om het medicijn toe te passen. Als ze dit vroeg in het ontwikkelingsproces kunnen vaststellen, kunnen ze er zeker van zijn dat de nanodragers zullen werken voordat ze investeren in tijdrovende medische studies.

“We voorzien dat deze nieuwe techniek een veel sneller tempo en hogere precisie mogelijk zal maken bij het ontwerp en de ontwikkeling van deze opwindende nieuwe technologieën”, zei Collins.