Kemikere efterligner bibliotek med biomembraner til brug i nanomedicin, levering af medicin

Et internationalt samarbejde ledet af kemikere og ingeniører fra University of Pennsylvania har udarbejdet et bibliotek med syntetiske biomaterialer, der efterligner cellemembraner, og som viser løfte om målrettet levering af kræftmedicin, genterapi, proteiner, billeddannelses- og diagnostiske midler og kosmetik sikkert til kroppen i det nye felt kaldet nanomedicin.

Undersøgelsen vises i det aktuelle nummer af tidsskriftet Videnskab .

Forskningen giver den første beskrivelse af præparatet, struktur, selvmontering og mekaniske egenskaber for vesikler og andre udvalgte komplekse nanosamlinger fremstillet af Janus dendrimers.

De såkaldte dendrimersomes er stabile, dobbeltlagsblærer, der spontant dannes fra den nøjagtige kemiske sammensætning af Janus dendrimerer. Holdet rapporterede et utal af dobbeltlags kapselpopulationer, ensartet i størrelse, stabil i tiden i en lang række medier og temperaturer, der kan indstilles efter temperatur og kemi med overlegne mekaniske egenskaber til almindelige liposomer og uigennemtrængelige for indkapslede forbindelser. De er i stand til at inkorporere poredannende proteiner, kan samles med strukturstyrende phospholipider og blokcopolymerer og tilbyde en molekylær periferi, der er egnet til kemisk funktionalisering uden at påvirke deres selvsamling.

Medforfattere Virgil Percec fra Penn's Department of Chemistry og Daniel A. Hammer fra Penn's Department of Bioengineering, sammen med Frank Bates og Timothy Lodge fra University of Minnesota, Michael Klein fra Temple University og Kari Rissanen fra Jyväskylä University, i Finland, har kemisk koblede hydrofile og hydrofobe dendroner til at skabe amfifile Janus -dendrimerer med en rig palet af morfologier, herunder kubosomer, diske, rørformede vesikler og spiralbånd og bekræftede de samlede strukturer ved hjælp af kryogen transmissionselektronmikroskopi og fluorescensmikroskopi.

"Dendrimersomes gifter sig med den stabilitet og mekaniske styrke, der kan opnås fra polymersomes, vesikler fremstillet af blokcopolymerer, med den biologiske funktion af stabiliserede phospholipid liposomer, "sagde Percec, P. Roy Vagelos -formand og professor i kemi ved Penn, "men med overlegen ensartethed af størrelse, let dannelse og kemisk funktionalisering. "

"Disse materialer viser et særligt løfte, fordi deres membraner er tykkelsen af ​​naturlige dobbeltlagsmembraner, men de har overlegne og afstembare materialegenskaber, sagde Hammer, Alfred G. og Meta A. Ennis professor i bioingeniør ved Penn. "På grund af deres membrantykkelse, det vil være mere ligetil at inkorporere biologiske komponenter i vesikelmembranerne, såsom receptorer og kanaler. "

"Ingen andre molekylklasser, herunder blokcopolymerer og lipider, vides at samle sig i vand til en sådan mangfoldighed af supramolekylære strukturer, "sagde Bates, Regents -professor og leder af afdelingen for kemiteknik og materialevidenskab ved University of Minnesota.

Selvmonterede nanostrukturer, hentet fra naturlige og syntetiske amfifiler, i stigende grad tjene som efterligninger af biologiske membraner og muliggøre målrettet levering af lægemidler, nukleinsyrer, proteiner, genterapi og billeddannelsesmidler til diagnostisk medicin. Udfordringen for forskere er at skabe disse præcise molekylære arrangementer, der kombineres til at fungere som sikre biologiske bærere, mens de bærer nyttelast indeni.

Janus dendrimer-samlinger tilbyder flere konkurrerende teknologier til levering af nanopartikler flere fordele. Liposomer er efterligninger af cellemembraner samlet fra naturlige phospholipider eller fra syntetiske amfifiler, herunder polymersomes. Men, liposomer er ikke stabile, selv ved stuetemperatur, og varierer meget i størrelse, kræver kedelig stabilisering og fraktionering til alle praktiske anvendelser. Polymersomes, på den anden side, er stabile, men polydisperse, og de fleste af dem er ikke biokompatible, kræver videnskabelig indgriben for at kombinere de bedste egenskaber ved begge for nanomedicin. Dendrimersomes giver stabilitet, monodispersitet, holdbarhed og alsidighed, og de fremmer betydeligt videnskaben om selvsamlede nanostrukturer til biologiske og medicinske anvendelser.