Smart lægemiddelleveringssystem - Guld nanokage dækket med polymer (m/ video)

I gamle gamle film, Lucretia Borgia svaner rundt og tømmer pulver fra sin ring i vinglas uforsigtigt efterladt uden opsyn. Giftringen er normalt en konfekt af guldfiligran, der indeholder en cabochon eller facetteret ædelsten, der kan brydes for at tømme ringens indhold. Det er altid enormt - så stort, at det er ret mærkeligt, at ingen ser det som noget.

Lucretia ville have givet hende øjne for den "smarte kapsel", der blev udtænkt i Younan Xia's laboratorium ved Washington University i St. Louis. Et lille bur af guld dækket med en smart polymer, det reagerer på lys, åbner for at tømme indholdet, og forsegles igen, når lyset er slukket. Uendelig mere snedig og diskret end Lucretias ring, nanocagen er for lille til at ses - undtagen indirekte:milliarder ændrer farven på væske i et reagensglas.

Ingen Lucretia, Xia er en healer frem for en forgiftning. Den smarte nanokage er designet til at blive fyldt med et medicinsk stof, såsom et kemoterapimedicin eller baktericid. Frigivelse af omhyggeligt titrerede mængder af et lægemiddel kun i nærheden af ​​det væv, der er lægemidlets tilsigtede mål, dette leveringssystem vil maksimere lægemidlets gavnlige virkninger og samtidig minimere dets bivirkninger.

Metoden til fremstilling af kapslerne og test af deres ydeevne dukkede op online den 1. november, 2009, som en del af tidsskriftets forhåndsprogram for onlinepublikationer Naturmaterialer .

Det første trin i at lave en smart kapsel er at blande et parti sølv -nanokuber sammen. Små enkeltkrystalterninger af sølv kan fremstilles ved tilsætning af sølvnitrat (AgNO ₃ ) til en opløsning, der donerer elektroner til sølvionerne, tillader dem at udfælde som massivt sølv. Tilsætningen af ​​et andet kemikalie tilskynder sølvatomerne til at aflejres på nogle dele af en frøkrystal frem for andre, lokke frøene til at danne skarpe kanter i stedet for uformede klumper.

Et andet trin klipper alle otte hjørner af terningerne.

De afklippede sølvterninger fungerer derefter som "offerskabeloner, "hvorpå guldburene tager form. Når sølv -nanokuberne opvarmes i cloroaurinsyre (HAuCl ₄ ), guldionerne i syren stjæler elektroner fra sølvatomerne i terningerne. Sølvet opløses, og guldet udfældes.

Et guldskind dannes på sølvterningerne, da terningerne er udhulet indefra. Sølvatomerne kommer ind i opløsningen gennem porer, der dannes i de afklippede hjørner af terningerne.

"Men den virkelig fede del, "siger Xia, "og den fede del af nanoteknologi generelt, er, at de bittesmå guldbure har meget forskellige egenskaber end bulkguld. "Især, de reagerer forskelligt på lys.

Fysikeren Michael Faraday var den første til at indse, at en suspension af guldpartikler glødede rubinrød, fordi partiklerne var ekstremt små. "Hans originale prøve af et guldkolloid er stadig på Faraday Museum i London, "siger Xia, Ph.d., James M. McKelvey -professoren i Institut for Biomedicinsk Teknik. "Er det ikke fantastisk? Det er over 150 år senere, og det er der stadig."

Farven er forårsaget af en fysisk effekt kaldet overfladeplasmonresonans. Nogle af elektronerne i guldpartiklerne er ikke forankret til individuelle atomer, men danner i stedet en frit svævende elektrongas. Lys, der falder på disse elektroner, kan få dem til at svinge som en. Denne kollektive svingning, overfladeplasmon, vælger en bestemt bølgelængde, eller farve, ud af hændelseslyset, og det er den farve, vi ser.

Den stærke reaktion ved en bestemt bølgelængde, kaldes resonans, er det, der får en violinstreng til at vibrere ved en bestemt tonehøjde eller lader et barn pumpe et sving højt på himlen ved at sparke på det rigtige tidspunkt.

Hvad mere er, overfladeplasmonresonansen kan indstilles på nogenlunde samme måde, som en violin kan afstemmes.

"Faraday brugte faste partikler til at lave sit kolloid, "kommenterer Xia." Du kan indstille resonansbølgelængden ved at ændre partiklernes størrelse, men kun inden for snævre grænser. Du kan ikke komme til de bølgelængder, vi ønsker. "

De bølgelængder, han ønsker, er dem, hvor menneskeligt væv er relativt gennemsigtigt, så bure i blodbanen kan åbnes af laserlys, der skinnede på huden.

Farven på nanocages kan indstilles over et bredere område end faste partikler ved at ændre tykkelsen på burens vægge, siger Xia. Efterhånden som der afsættes mere guld, og skallerne tykner, en suspension af nanokager skifter fra rødt, til lilla, til lyse blå, til mørkeblå, til bølgelængderne i det nær-infrarøde.

Xia's team ønsker at ramme et smalt vindue med vævsgennemsigtighed, der ligger mellem 750 og 900 nanometer, i det nær-infrarøde. Dette vindue grænser på den ene side af bølgelængder, der er stærkt absorberet af blod og på den anden af ​​dem, der er stærkt absorberet af vand.

Lys i denne søde plet kan trænge ned så dybt som flere centimeter i kroppen.

"Folk plejede at demonstrere ved samtaler, "Siger Xia, griner. "De ville putte en rød diodelaser i munden, og publikum kunne se det udefra, fordi diodernes bølgelængde er 780 nanometer, en bølgelængde, hvor kødet er ret gennemsigtigt. "

Her bliver tingene endnu vanskeligere og endnu mere fantastiske. Resonansen har faktisk to dele. Ved resonansfrekvensen, lys kan spredes ud af burene, absorberes af dem, eller en kombination af disse to processer.

Ligesom de kan indstille overfladens plasmonresonans, forskerne kan justere, hvor meget energi der absorberes frem for spredt ved at manipulere nanokagernes størrelse og porøsitet.

Xia illustrerer forskellen mellem spredning og absorption med en fantastisk romersk artefakt, Lycurgus Cup fra det 4. århundrede. Koppen ser jade-grøn ud udefra, men bliver lyserød, når den lyser indefra.

Moderne analyse viser, at det gamle glas indeholder nanopartikler af en sølv-guldlegering, der spreder lys stærkt ved en bølgelængde i den grønne del af spektret. Når koppen lyser indefra, imidlertid, det grønne lys absorberes, og vi ser det resterende lys, som overvejende er rød, den komplementære farve til grøn.

Det er faktisk absorptionskomponenten, som forskerne udnytter til at åbne og lukke nanocages. Når lyset absorberes, omdannes det til varme, og nanocages er dækket med en speciel polymer, der reagerer på varme på en interessant måde.

Polymeren, poly (N-isopropylacrylamid), og dets derivater har det, der kaldes en kritisk temperatur. Når den når denne temperatur, gennemgår den en transformation kaldet en faseændring.

Hvis temperaturen er lavere end den kritiske temperatur, polymerkæderne er vandglade og skiller sig ud fra buret som børster. Børsterne forsegler burets porer og forhindrer dets last i at lække ud. Hvis temperaturen er over den kritiske temperatur, på den anden side, polymerkæderne undgår vand, krympe sammen og falde sammen. Når de krymper, burets porer åbnes, og dens indhold flyder ud.

"Det er lidt kontraintuitivt, "siger Xia." Typisk når du går til en højere temperatur, et molekyle vil ekspandere, men denne gør det modsatte. "

Som alt andet om dette system, polymeren kan afstemmes. Forskerne kan kontrollere dens kritiske temperatur ved at ændre dens sammensætning. Til medicinske anvendelser, de indstiller den kritiske temperatur til en lige over kropstemperaturen (37 grader Celsius), men langt under 42 grader Celsius (107 grader Fahrenheit), temperaturen, ved hvilken varme ville begynde at dræbe celler.

Dernæst kommer den sjove del. Når de havde lavet deres smarte kapsler, forskerne testede dem ved at lægge dem i et lyst rødt farvestof kaldet alazarin crimson, eller steg mere gal. Farvestoffet gjorde det let at opdage og måle enhver frigivelse med et spektrometer.

Burene blev fyldt ved at ryste dem i en opløsning af farvestoffet ved en temperatur over den kritiske temperatur for den smarte polymer. Næste, de blev dyppet i et isbad for at få polymeren til at lukke porerne og fange farvestoffet inde i burene. Burene blev derefter åbnet igen ved at bade dem i lyset af en nær-infrarød laser. Absorberet lys opvarmede guldburene over den kritiske temperatur og fremkaldte polymerens faseændring. Polymeren faldt sammen, burens porer blev afsløret, og farvestoffet spildte ud.

Derefter fyldte holdet kapsler med doxorubicin, et almindeligt kemoterapimedicin og udløser lægemidlets frigivelse med en laser, dræbte brystkræftceller, der vokser i brønde på en plastikplade.

Og endelig, de fyldte kapslerne med et enzym, der lukker bakteriens cellevægge op og brugte dem til at dræbe en bakterie, der er en normal del af floraen i vores mund og hals.

Lucretia, spis dit hjerte ud.

Kilde:Washington University i St. Louis (nyheder:web)