Forskerkrønike nanopartikler rejser fra lungerne ind i kroppen

Ved hjælp af en roman, realtids billeddannelsessystem, Forskere har sporet en gruppe nær-infrarøde fluorescerende nanopartikler fra lungernes luftrum, ind i kroppen og ud igen, at give en beskrivelse af karakteristika og opførsel af disse små partikler, som kan bruges til at udvikle terapeutiske midler til behandling af lungesygdomme samt tilbyde en større forståelse af luftforurenings sundhedseffekter.

Ledet af efterforskere ved Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC) og Harvard School of Public Health, resultaterne er beskrevet i 7. november Advance Online-udgaven af ​​tidsskriftet Natur bioteknologi .

På en skala fra en til 100 nanometer (nm) – en milliardtedel af en meter – er nanopartikler for små til at være synlige gennem et traditionelt mikroskop. Men denne ekstremt lille skala gør dem til potentielle kandidater til målrettet medicinlevering, i stand til præcist at lokalisere sygdomskilder med øget effektivitet og minimale bivirkninger til omgivende væv.

"Nanopartikler lover som terapeutiske midler for en række sygdomme, " forklarer co-senior forfatter John V. Frangioni, MD, PhD, af afdelingen for hæmatologi/onkologi ved BIDMC og lektor i medicin og radiologi ved Harvard Medical School (HMS), hvis laboratorium er specialiseret i udvikling af billeddannelsessystemer og udvikling af kontrastmidler til molekylær billeddannelse. Lungens anatomi, med dets store overfladeareal og minimale barrierer, der begrænser adgangen til kroppen, gør dette organ til et særligt godt mål for tilførsel af nanopartikler.

"Vi har været interesseret i små partiklers skæbne, efter at de aflejres dybt i lungens gasudvekslingsregion, " tilføjer co-senior forfatter Akira Tsuda, PhD, en forsker i Molecular and Integrative Physiological Sciences Program i Department of Environmental Health på Harvard School of Public Health. "At bestemme de fysisk-kemiske karakteristika af inhalerede nanopartikler på deres evne til at krydse [lungernes] alveolære epiteloverflade er et vigtigt skridt i forståelsen af ​​de biologiske effekter forbundet med eksponering for disse partikler."

Tidligere værk af Frangioni og førsteforfatter Hak Soo Choi, PhD, en instruktør i medicin ved HMS, havde etableret egenskaberne ved nanopartikler, der regulerer clearance fra kroppen. "At være af værdi klinisk, nanopartikler skal enten være i stand til at nedbrydes biologisk til biologisk inerte forbindelser, eller effektivt fjernes fra kroppen, " siger Choi, forklarer, at ophobning af nanopartikler kan være giftig.

Formålet med denne nye undersøgelse var at bestemme karakteristika og parametre for inhalerede nanopartikler, der medierer deres optagelse i kroppen - fra det ydre miljø, på tværs af den alveolære lungeoverflade og ind i lymfesystemet og blodbanen og til sidst til andre organer. At gøre dette, forskerne brugte FLARE™ (Fluorescence-Assisted Resection and Exploration) billeddannelsessystem, systematisk at variere den kemiske sammensætning, størrelse, form og overfladeladning af en gruppe nær-infrarøde fluorescerende nanopartikler for at sammenligne de fysisk-kemiske egenskaber af de forskellige konstruerede partikler. Efterforskerne sporede derefter bevægelsen af ​​de forskellige nanopartikler i lungerne af rottemodeller over en periode på en time, og også verificerede resultater ved hjælp af konventionelle radioaktive sporstoffer.

"FLARE-systemet gjorde det muligt for os at halvere antallet af eksperimenter, mens vi udførte direkte sammenligninger af nanopartikler af forskellig størrelse, former og stivheder, " forklarer Frangioni, hvis laboratorium udviklede FLARE-systemet til brug i billedstyret cancerkirurgi samt andre applikationer.

Deres resultater viste, at ikke-positivt ladede nanopartikler, mindre end 34 nm i diameter, dukkede op i de lungedrænende lymfeknuder inden for 30 minutter. De fandt også, at nanopartikler mindre end 6 nm i diameter med "zwitterioniske" karakteristika (lige positiv og negativ ladning) rejste til de drænende lymfeknuder inden for blot et par minutter, efterfølgende udskilles af nyrerne til urin.

"Disse nye resultater kan anvendes til at designe og optimere partikler til lægemiddellevering ved inhalationsterapi, " bemærker Tsuda. "Denne forskning vejleder os også i vurderingen af ​​sundhedseffekterne af forskellige partikelforurenende stoffer, da dataene antyder vigtigheden af ​​at skelne mellem specifikke underklasser af partikler [baseret på overfladekemi og størrelse], som hurtigt kan krydse det alveole epitel og kan spredes i kroppen."

tilføjer Frangioni, "Denne undersøgelse supplerer vores tidligere arbejde, hvor vi definerede egenskaberne ved nanopartikler, der regulerer effektiv clearance fra kroppen. Med disse nye resultater, som definerer de egenskaber, der regulerer optagelsen i kroppen, vi har nu beskrevet en komplet 'cyklus' af handel med nanopartikler -- fra miljøet, gennem lungerne, ind i kroppen, derefter ud af nyrerne i urinen og tilbage til miljøet."