Forskere øger lægemidlets effektivitet ved at bruge nanopartikler til at målrette cellernes kraftværk

Nanopartikler har vist meget lovende i målrettet levering af lægemidler til celler, men forskere ved University of Georgia har forfinet lægemiddelleveringsprocessen yderligere ved at bruge nanopartikler til at levere lægemidler til en specifik organel i celler.

Ved at målrette mitokondrier, ofte kaldet "cellernes kraftcenter, "Forskerne øgede effektiviteten af ​​mitokondrievirkende terapier, der bruges til at behandle kræft, Alzheimers sygdom og fedme i undersøgelser udført med dyrkede celler.

"Mitokondriet er en kompleks organel, som er meget svær at nå, men disse nanopartikler er konstrueret, så de udfører det rigtige arbejde på det rigtige sted, " sagde seniorforfatter Shanta Dhar, en adjunkt i kemi ved UGA Franklin College of Arts and Sciences.

Dhar og hendes medforfatter, doktorand Sean Marrache, brugt et biologisk nedbrydeligt, FDA-godkendt polymer til fremstilling af deres nanopartikler og derefter brugt partiklerne til at indkapsle og teste lægemidler, der behandler en række tilstande. Deres resultater blev offentliggjort i denne uge i den tidlige udgave af tidsskriftet Procedurer fra National Academy of Sciences .

For at teste effektiviteten af ​​deres lægemiddelmålretningssystem mod kræft, de indkapslede stoffet lonidamin, som virker ved at hæmme energiproduktionen i mitokondrierne, og, separat, en form for antioxidanten vitamin E. De behandlede derefter dyrkede kræftceller og fandt ud af, at mitokondriell målretning øgede lægemidlets effektivitet med mere end 100 gange sammenlignet med stofferne alene og fem gange sammenlignet med levering af lægemidler med nanopartikler, der målrette mod ydersiden af ​​celler.

Tilsvarende sammensætningen curcumin har vist lovende at hæmme dannelsen af ​​de amyloide plaques, der er et kendetegn for Alzheimers sygdom, men det nedbrydes hurtigt i nærvær af lys og nedbrydes hurtigt af kroppen. Ved at indkapsle curcumin i de mitokondrier-målrettede nanopartikler, imidlertid, forskerne var i stand til at genoprette hjernecellernes evne til at overleve på trods af tilstedeværelsen af ​​en forbindelse, der fremmer plakdannelse. Næsten 100 procent af cellerne behandlet med de mitokondrier-målrettede nanopartikler overlevede i nærvær af den plakinducerende forbindelse, sammenlignet med 67 procent af cellerne behandlet med frit curcumin og 70 procent af cellerne behandlet med nanopartikler, der er målrettet mod cellernes yderside.

Endelig, forskerne indkapslede fedmemiddel 2, 4-DNP - som virker ved at gøre energiproduktionen i mitokondrierne mindre effektiv - i deres nanopartikler og fandt ud af, at det reducerede produktionen af ​​fedt fra dyrkede celler kendt som præadipocytter med 67 procent sammenlignet med celler behandlet med lægemidlet alene og med 61 procent af celler behandlet med nanopartikler, der er målrettet mod ydersiden af ​​celler.

"Mange sygdomme er forbundet med dysfunktionelle mitokondrier, men mange af de lægemidler, der virker på mitokondrierne, kan ikke komme dertil, " sagde Marrache. "I stedet for at prøve at ændre stofferne, som kan reducere deres effektivitet, vi indkapsler dem i disse nanopartikler og leverer dem præcist til mitokondrierne."

Dhar sagde, at det ikke er let at få medicin til mitokondrierne. Ved indtastning af celler, nanopartikler kommer ind i et sorteringscenter kendt som endosomet. Det første, Dhar og Marrache skulle demonstrere, var, at nanopartiklerne flygter fra endosomet og ikke ender i cellernes bortskaffelsescenter, lysosomet.

Selve mitokondrierne er beskyttet af to membraner adskilt af et interstitielt rum. Den ydre membran tillader kun molekyler af en vis størrelse at passere igennem, mens den indre membran kun tillader molekyler af en given række ladninger at passere. Forskerne konstruerede et bibliotek af nanopartikler og testede dem, indtil de identificerede det optimale størrelsesområde - 64 til 80 nanometer, eller cirka 1, 000 gange finere end bredden af ​​et menneskehår – og en optimal overfladeladning, plus 34 millivolt.

Dhar bemærker, at de komponenter, de brugte til at oprette nanopartiklerne, er FDA -godkendte, og at deres metoder er meget reproducerbare og derfor har potentiale til at blive oversat til kliniske indstillinger. Forskerne tester i øjeblikket deres målrettede leveringssystem i gnavere og siger, at de foreløbige resultater er lovende.

"Mitokondrielle dysfunktioner forårsager mange lidelser hos mennesker, "Sagde Dhar, "så der er flere potentielle applikationer til dette leveringssystem."