Hvordan tardigradens hemmeligheder kunne forbedre livreddende lægemidler som insulin

UCLA-kemiker Heather Maynard måtte undre sig:Hvordan gør organismer som tardigraden det?

Dette tætte mikroskopiske dyr, også kendt som en vandbjørn, kan overleve i miljøer, hvor overlevelse synes umulig. Tardigrader har vist sig at tåle ekstreme varme, kulde og tryk – og endda rummets vakuum – ved at gå ind i en tilstand af suspenderet animation og genoplive, nogle gange årtier senere, under mere gæstfrie forhold.

Hvis hun kunne forstå mekanismen bag denne ekstraordinære konservering, regnede Maynard med, at hun måske kunne bruge viden til at forbedre medicin, så de forbliver potente længere og er mindre sårbare over for typiske miljømæssige udfordringer, hvilket i sidste ende udvider adgangen og gavner menneskers sundhed.

Det viser sig, at en af ​​processerne, der beskytter tardigrader, er ansporet af et sukkermolekyle kaldet trehalose, der almindeligvis findes i levende ting fra planter til mikrober til insekter, hvoraf nogle bruger det som blodsukker. For nogle få udvalgte organismer, såsom vandbjørnen og den spidse genopstandelsesplante, der kan genoplive efter år med næsten nul stofskifte og fuldstændig dehydrering, er trehaloses stabiliserende kraft hemmeligheden bag deres overjordiske styrke.

Bevæbnet med denne indsigt opfandt Maynard, en professor i kemi og biokemi, som har UCLA's Dr. Myung Ki Hong-lærestol i polymervidenskab, en polymer baseret på sukkeret. Hendes polymer, kaldet poly(trehalose methacrylat), eller pTrMA, ser faktisk ud til at forbedre naturen i dens evne til at gøre lægemidler mere robuste over for tidens og temperaturens hærgen.

"Vi regnede med, at hvis trehalose kunne stabilisere hele organismer, gør det det til en ret god stabilisator," sagde Maynard, som også er associeret direktør for teknologi og udvikling ved California NanoSystems Institute ved UCLA. "Det var dog ikke forventet, at vores polymer klarede sig bedre end trehalose."

Med støtte og vejledning fra UCLA Innovation Fund, et program designet til at lette kommercialiseringen af ​​UCLA-ejede terapier og andre sundhedsrelaterede teknologier, valgte Maynard og hendes team at undersøge pTrMA's virkninger på insulin, en "essentiel medicin" fra Verdenssundhedsorganisationen. mange mennesker med diabetes injicerer dagligt for at håndtere sygdommen.

Når de udsættes for varme eller rystes for meget, kan insulinproteiner klumpe sig sammen på måder, der tygger kanyler op, gør medicinen mindre effektiv eller endda fremkalder en skadelig reaktion fra kroppens naturlige forsvar. Som følge heraf skal insulin håndteres med forsigtighed og transporteres i kølerum.

Derfor kan insulin, der forbliver stabilt i længere tid uden nedkøling, reducere lægemidlets omkostninger ved at gøre logistik billigere. Og en forlænget holdbarhed ville skære ned på både spildt medicin og potentielt farlige situationer, hvor udløbet insulin giver en utilstrækkelig dosis. Mere end det, kan insulin blive tilgængeligt for nogle fjerntliggende steder, som i øjeblikket er uden for rækkevidde for køletransport.

En række undersøgelser ledet af Maynard over de sidste tre år har vist pTrMA's potentiale. En nylig undersøgelse offentliggjort i ACS Applied Materials &Interfaces fandt, at polymeren konserverede insulin ved temperaturer på næsten 200 grader Fahrenheit - tæt på vands kogepunkt - og gennem næsten et års køleopbevaring, hvor 87% af medicinen forblev intakt sammenlignet med mindre end 8% af insulin alene. Laboratorieforsøg i pTrMA's sikkerhed viste, at det ikke udløste et immunrespons hos mus.

En undersøgelse fra 2021, også støttet af Innovationsfonden, viste, at insulin plus pTrMA har en lav nok viskositet til at blive sikkert injiceret, og forskning i 2020 viste, at en version af pTrMA designet til at nedbrydes inde i kroppen beholdt evnen til at stabilisere insulin.

Et tidligt fund, fra 2014, af, at pTrMA faktisk virker bedre end trehalose som konserveringsmiddel, har ikke været den eneste behagelige overraskelse undervejs. Maynards team designer typisk polymerer til at være kemisk forbundet med lægemiddelmolekyler, men i tilfælde af pTrMA fandt de ud af, at det er lige så effektivt blandet sammen med insulinmolekyler uden kemiske forbindelser.

Maynard har mistanke om, at polymeren har potentiale til bredere anvendelse.

"Trehalosepolymerer stabiliserer en bred vifte af proteiner og enzymer," sagde hun. "Vacciner er en mulighed, og vi tror, ​​at polymererne kunne være en platformsteknologi, der anvendes til en række forskellige biologisk baserede lægemidler."

Fleksible ressourcer fra Innovationsfonden har givet Maynard frihed til at forfølge de mest relevante spørgsmål i hendes studier. Den fordel endte med at arbejde sammen med en anden:introduktioner til lægemiddelindustriens eksperter af UCLA's Technology Development Group.

En sådan ekspert anbefalede Maynard at undersøge virkningen af ​​pTrMA i kroppen. I hendes seneste ACS Applied Materials &Interfaces publikation om pTrMA fandt Maynard og hendes team ingen signifikant forskel i blodplasmakoncentrationer over tid mellem insulin alene og lægemidlet formuleret med pTrMA.

"Det er ikke altid let at finde finansiering til nogle af de systematiske undersøgelser, vi har udført," sagde Maynard. "UCLA Innovation Fund accelererede forskningen og gav os muligheden for at dreje."

Hvis Maynards polymer finder fortsat succes som en sikker stabilisator, kan lægemidler fra livreddende til hverdag blive billigere og tilgængelige flere steder. Og hun vil have et par andre at takke:Moder Natur og den næsten uforgængelige vandbjørn.