Biomimetiske nanosvampe absorberer toksiner frigivet af bakterielle infektioner og gift

Ingeniører ved University of California, San Diego har opfundet en "nanosvamp", der sikkert kan fjerne en bred klasse af farlige toksiner fra blodbanen - herunder toksiner produceret af MRSA, E coli , giftige slanger og bier. Disse nanosvampe, som hidtil er blevet undersøgt i mus, kan neutralisere "poredannende toksiner, " som ødelægger celler ved at stikke huller i deres cellemembraner. I modsætning til andre anti-toksin platforme, der skal specialsyntetiseres til individuelle toksintyper, nanosvampene kan absorbere forskellige poredannende toksiner uanset deres molekylære struktur. I en undersøgelse mod alfa-hæmolysintoksin fra MRSA, præ-inokulering med nanosvampe gjorde det muligt for 89 procent af musene at overleve dødelige doser.

Administration af nanosvampe efter den dødelige dosis førte til 44 procent overlevelse.

Holdet, ledet af nanoingeniører ved UC San Diego Jacobs School of Engineering, offentliggjort resultaterne i Natur nanoteknologi 14. april.

"Dette er en ny måde at fjerne toksiner fra blodbanen, " sagde Liangfang Zhang, en nanoingeniørprofessor ved UC San Diego Jacobs School of Engineering og seniorforfatter på undersøgelsen. "I stedet for at skabe specifikke behandlinger for individuelle toksiner, vi udvikler en platform, der kan neutralisere toksiner forårsaget af en lang række patogener, herunder MRSA og andre antibiotikaresistente bakterier, "sagde Zhang. Arbejdet kan også føre til ikke-artsspecifikke behandlinger mod giftige slangebid og bistik, hvilket ville gøre det mere sandsynligt, at sundhedsudbydere eller personer i fare vil have livreddende behandlinger til rådighed, når de har mest brug for dem.

Forskerne sigter mod at omsætte dette arbejde til godkendte terapier. "En af de første anvendelser, vi sigter efter, ville være en anti-virulens behandling af MRSA. Det er derfor, vi undersøgte et af de mest virulente toksiner fra MRSA i vores eksperimenter, " sagde "Jack" Che-Ming Hu, den første forfatter på papiret. Hu, nu post-doc forsker i Zhangs laboratorium, opnåede sin ph.d. i bioingeniør fra UC San Diego i 2011.

Aspekter af dette arbejde vil blive præsenteret den 18. april på Research Expo, den årlige forsknings- og netværksbegivenhed for kandidatstuderende på UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Nanosvampe som lokkefugle

For at undgå immunsystemet og forblive i cirkulation i blodbanen, nanosvampene er pakket ind i røde blodlegememembraner. Denne teknologi til tilsløring af røde blodlegemer blev udviklet i Liangfang Zhangs laboratorium ved UC San Diego. Forskerne har tidligere vist, at nanopartikler forklædt som røde blodlegemer kunne bruges til at levere kræftbekæmpende lægemidler direkte til en tumor. Zhang har også en fakultetsaftale ved UC San Diego Moores Cancer Center.

Røde blodlegemer er et af de primære mål for poredannende toksiner. Når en gruppe af toksiner alle punkterer den samme celle, danner en pore, ukontrollerede ioner strømmer ind, og cellen dør.

Nanosvampene ligner røde blodlegemer, og fungerer derfor som lokkeduer af røde blodlegemer, der opsamler toksinerne. Nanospongerne absorberer skadelige toksiner og afleder dem fra deres cellulære mål. Nanosvampene havde en halveringstid på 40 timer i forskernes forsøg med mus. Til sidst metaboliserede leveren sikkert både nanosvampene og de sekvestrerede toksiner, med leveren, der ikke pådrager sig nogen synlig skade.

Hver nanosvamp har en diameter på cirka 85 nanometer og er lavet af en biokompatibel polymerkerne pakket ind i segmenter af røde blodlegemers membraner.

Zhangs team adskiller de røde blodlegemer fra en lille prøve af blod ved hjælp af en centrifuge og sætter derefter cellerne i en opløsning, der får dem til at svulme og briste, frigiver hæmoglobin og efterlader RBC-skind. Skindene blandes derefter med de kugleformede nanopartikler, indtil de er belagt med en rød blodlegememembran.

Kun en membran af røde blodlegemer kan lave tusindvis af nanosvampe, som er 3, 000 times smaller than a red blood cell. With a single dose, this army of nanosponges floods the blood stream, outnumbering red blood cells and intercepting toxins.

Based on test-tube experiments, the number of toxins each nanosponge could absorb depended on the toxin. For eksempel, approximately 85 alpha-haemolysin toxin produced by MRSA, 30 stretpolysin-O toxins and 850 melittin monomoers, which are part of bee venom.

Hos mus, administering nanosponges and alpha-haemolysin toxin simultaneously at a toxin-to-nanosponge ratio of 70:1 neutralized the toxins and caused no discernible damage.

One next step, siger forskerne, is to pursue clinical trials.