Brug af koffein som katalysator, forskere skaber nye geler til medicinafgivelse

Koffein er kendt for sin evne til at hjælpe folk med at være opmærksomme, men et team af forskere ved MIT og Brigham and Women's Hospital har nu fundet frem til en ny anvendelse af denne kemiske stimulans - som katalyserer dannelsen af ​​polymermaterialer.

Brug af koffein som katalysator, forskerne har udtænkt en måde at skabe gummi på, biokompatible geler, der kan bruges til lægemiddeltilførsel og andre medicinske anvendelser.

"De fleste syntetiske metoder til syntetisering og tværbinding af polymere geler og andre materialer bruger katalysatorer eller tilstande, der kan beskadige følsomme stoffer, såsom biologiske lægemidler. I modsætning hertil er her brugte vi grøn kemi og almindelige fødevareingredienser, " siger Robert Langer, David H. Koch Institute Professor ved MIT og en af ​​undersøgelsens seniorforfattere. "Vi mener, at disse nye materialer kan være nyttige til at skabe nyt medicinsk udstyr og lægemiddelleveringssystemer."

I deres papir, som fremkommer journalen Biomaterialer , forskerne viste, at de kunne fylde gelerne med to antimalariamidler, og de forventer, at materialet også kan bruges til at transportere andre typer medicin. Lægemidler, der bæres af denne slags materiale, kan tygges eller nemmere at sluge, siger forskerne.

"Det er virkelig tiltalende for patientpopulationer, især børn, som har svært ved at sluge kapsler og tabletter, " siger Giovanni Traverso, en forskningspartner ved MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research og en gastroenterolog og biomedicinsk ingeniør ved Brigham and Women's Hospital, som også er seniorforfatter af papiret.

Tidligere MIT postdoc Angela DiCiccio, som nu er hos Verily Life Sciences, biovidenskabsafdelingen af ​​Google X, er hovedforfatter af papiret.

Koffeinstigning

Fremstilling af polymergeler kræver normalt metalkatalysatorer, hvilket kan være farligt, hvis noget af katalysatoren forbliver i materialet, efter at gelen er dannet. MIT-teamet ønskede at komme med en ny måde at fremstille geler ved hjælp af katalysatorer og udgangsmaterialer, der er baseret på fødevarer og andre materialer, der er sikre at indtage.

"Vores mål var at forsøge at forenkle fremstillingsmetoden og bibringe en forbedret sikkerhedsprofil fra begyndelsen ved at bruge potentielt sikrere katalysatorer, " siger Traverso.

Selvom koffein ikke er blevet brugt til kemisk syntese før, det tiltrak forskernes opmærksomhed, fordi det er planteafledt og kan fungere som en svag base, hvilket betyder, at det forsigtigt fjerner protoner fra andre molekyler. Det har også en lignende struktur som nogle andre organiske svage baser, der er blevet brugt til at katalysere den type kemiske reaktion, der er nødvendig for at danne disse geler - dannelsen af ​​esterbindinger til dannelse af en polyester.

"Polyestere giver mulighed for bevidst design af indtagelige materialer fremstillet af bioafledte ressourcer, " siger DiCiccio. "Men, der fandtes ikke nogen katalysatorer, der var milde nok til at kæde disse molekyler ind uden at forårsage uønskede reaktioner eller kræve super høj varme. Vores nye platform giver en elegant løsning på dette problem ved hjælp af billige materialer og bredt tilgængelige kemi."

Forskerne besluttede at bruge koffein til at inducere citronsyre, andet spiseligt materiale produceret af planter, at danne et polymernetværk sammen med polyethylenglycol (PEG), en biokompatibel polymer, der har været brugt i lægemidler og forbrugerprodukter såsom tandpasta i mange årtier.

Når det blandes med citronsyre og PEG, og lidt opvarmet, koffein åbner en iltholdig ring i PEG, lader det reagere med citronsyre for at danne kæder, der består af alternerende molekyler af PEG og citronsyre. Hvis lægemiddelmolekyler er til stede i blandingen, de bliver også inkorporeret i kæderne.

Mix og match

Forskerne viste, at de kunne fylde to malariamedicin, artesunate og piperaquin, ind i disse polymerer. De kan også variere gelens kemiske og mekaniske egenskaber ved at ændre dets sammensætning. De skabte geler, der indeholder enten PEG eller en anden polymer kaldet polypropylenglycol, samt nogle, der kombinerer de to polymerer i forskellige forhold. Dette giver dem mulighed for at kontrollere egenskaber såsom materialets styrke, dens overfladestruktur, og den hastighed, hvormed stofferne frigives.

"Afhængigt af, hvad applikationen kan være, eller hvilke stoffer der bliver inkorporeret, du kan blande og matche for at finde en optimal blanding, " siger Traverso.

Gelerne kan også præges med mønstre såsom mikroskala-arkitekturen fundet på overfladen af ​​lotusblade, som giver dem mulighed for at afvise vand. Ændring af materialets overfladetræk kan hjælpe forskerne med at kontrollere, hvor hurtigt eller langsomt gelerne bevæger sig gennem fordøjelseskanalen.

De resulterende geler indeholder en lille mængde koffein, nogenlunde det samme som i en kop te. I foreløbige sikkerhedstest, forskerne fandt ingen skadelige virkninger i fire typer af menneskelige celler, eller hos rotter.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.