Nulstilling af den bedste form til kræftbekæmpende nanopartikler

(Phys.org) - Efterhånden som området nanomedicin modnes, et fremtrædende punkt for strid har været, hvilken form nanopartikler skal have for at levere deres lægemiddel eller DNA nyttelast mest effektivt.

Et par nye artikler af forskere ved The Methodist Hospital Research Institute (TMHRI) og seks andre institutioner tyder på, at disse mikroskopiske arbejdsheste burde være skiveformede, ikke kugleformet eller stangformet når man retter sig mod kræft på eller i nærheden af ​​blodkar.

"Langt de fleste - måske 99 procent - af det arbejde, der udføres lige nu, er at bruge nanopartikler, der er sfæriske, "sagde TMHRI biomedicinsk ingeniør Paolo Decuzzi, Ph.d., hovedforsker for begge projekter. "Men beviser viser, at der kan være bedre måder at få kemoterapimedicin til stedet for en vaskulær kræft."

På trods af deres popularitet, der er problemer med kugleformede nanopartikler. De er små, og kan ikke levere en masse medicin, når de endelig når deres mål. Og de er også mere tilbøjelige til at blive skubbet nedstrøms af blodets kraftige strømning.

"Den lille overflade, som sfæriske nanopartikler udsætter for blodkarvæggene - teoretisk set et enkelt punkt - i tumorvævet kan ikke understøtte stabilitet, fast vedhæftning, og de vaskes let væk. Og dette hæmmer deres effektive ophobning i det syge væv, "Decuzzi sagde." Så en række laboratorier har spurgt, hvordan kan vi maksimere akkumuleringen af ​​nanopartikler i de syge væv? Er der en bedre form? "

I biomaterialerne i august 2012 (Elsevier, nu online), Decuzzi og medforfattere viser, at på forskellige, biologisk relevante strømningshastigheder, skiveformede nanopartikler var mindre tilbøjelige til at blive skubbet af deres mål end stavformede nanopartikler-en anden form, der tidligere var foreslået som et alternativ til sfærer. Den ideelle størrelse var 1, 000 x 400 nanometer (diameter efter tykkelse). Eksperimenterne blev udført in vitro og bekræftet ved beregningsmodellering.

Sfæriske nanopartikler er bygget op omkring stoffets nyttelast i en gratis, tredimensionel måde gennem selvsamling. Partiklen vokser ensartet i alle retninger, danner en sfærisk - eller næsten sfærisk - nanopartikel.

Metodistgruppen nanomedicin, ledet af TMHRI President og CEO Mauro Ferrari, Ph.d., har udviklet en helt anden teknik. Skiveformede nanopartikler er skabt med fotolitografisk teknologi, de samme værktøjer, der bruges til at lave de mindste komponenter i computere. Fotolitografi tillader Ferrari, Decuzzi, og kolleger til at angive størrelsen, form og overfladeegenskaber af nanopartiklerne med stor nøjagtighed. Nanopartiklerne er bygget med svampelignende huller igennem dem, hvor lægemidlerne læsses.

"Vi kan ændre størrelsen, form, og overfladeegenskaber - '3S' parametre - for partiklerne uafhængigt af hinanden, "Sagde Decuzzi." Det er en meget kraftfuld teknik. "

Nanopartiklerne er bygget med silicium, og biologisk relevante molekyler er senere knyttet til ydersiden for at forbedre binding til målceller og for at forsinke ødelæggelse af immunsystemet. Silicium har en ekstremt lav toksicitetsprofil ved de doser, der typisk bruges i mennesker og dyremodeller. Decuzzi sagde, at siliciumnanopartikler let nedbrydes og fjernes fra kroppen inden for 24 til 48 timer.

Det andet papir udgivet af Decuzzi og kolleger, i februar 2012 Journal of Controlled Release (også Elsevier), brugte musemodeller til at vise, at 1, 000 ved 400 nm skiveformede nanopartikler binder let til og i nærheden af ​​melanomceller, ved 5 til 10 procent af den injicerede dosis pr. gram organ - koncentrationer, der er konkurrencedygtige med eller bedre end dem, der tidligere er rapporteret for sfæroide nanopartikler. Forskerne viste også, at 1000 x 400 nm diske var mindst sandsynlige (end mindre eller større diske, eller stænger) for at ende i leveren.

"Disse to papirer er kulminationen på otte års arbejde, ser man på diskens egenskaber, stang-, og sfæriske nanopartikler i computersimuleringer, in vitro, og derefter in vivo, "Decuzzi sagde." Det, der har været mest givende, er, at alle de vigtige ting, vi forudsagde via matematiske modeller, viste sig at være sande i virkelige eksperimenter. Vi er tæt på at besvare afgørende spørgsmål om, hvordan disse nanopartikler skal se ud. "

Decuzzi siger, at hans gruppe vil fortsætte med at arbejde på optimering af nanopartikler og, i særdeleshed, vil se på, hvad han kalder "4S" -problemet. Efter at have fundet den rigtige størrelse, form, og overfladekemi, Decuzzi siger, at han vil se, om den rigtige mængde stivhed, eller fleksibilitet, kan yderligere forbedre in vivo -ydeevnen for nanopartikler.