Kemikere designer smarte nanopartikler for at forbedre medicinlevering, DNA selvsamling

Et hold af kemikere i SU's College of Arts and Forskere har brugt en temperaturfølsom polymer til at regulere DNA-interaktioner i både et DNA-medieret samlingssystem og et DNA-kodet lægemiddelleveringssystem.

Deres resultater, ledet af lektor Mathew M. Maye og kandidatstuderende Kristen Hamner og Colleen Alexander, kan forbedre, hvordan nanomaterialer selv samles til funktionelle enheder, og hvordan lægemidler mod kræft, herunder doxorubicin, afgives i kroppen. Mere information er tilgængelig i en artikel den 30. juli i ACS Nano , udgivet af American Chemical Society.

Et område af nanovidenskab, der forbinder en række felter - inklusive optik, kemisk sansning og lægemiddellevering og behandling - er selvsamling af nanopartikler. Ved selvmontering, kemien knyttet til nanopartikelgrænsefladen driver en reaktion. Som resultat, partikler samles og danner et fast stof, en chai eller en lille molekylelignende klynge.

Maye og andre har for nylig fundet ud af, hvordan man bruger DNA-bindinger til at skabe en række strukturer. Reaktionerne er hurtige og stabile, han siger, men kan også være problematisk.

"For eksempel, vi vil vide, hvordan man slår en reaktion til og fra, uden kedelige ændringer i proceduren, " siger Maye. "Vi har løst dette problem ved at levere en termisk trigger i form af en smart polymer, som ændrer dens struktur på nano-niveau."

En smart polymer er et stort molekyle, består af mange atomare enheder, som ændrer struktur, når den udsættes for ydre stimuli, såsom lys, surhedsgrad eller temperatur.

Maye og hans kolleger har syntetiseret en designer polymer, der ikke kun reagerer på temperatur, men kan også samles til en guld nanopartikel. Det nye ved denne tilgang, han siger, er, at nanopartiklerne besidder korte segmenter af enkeltstrenget DNA.

"Denne multifunktionalitet og den tilføjede 'smarte' komponent indikerer, hvor nanovidenskaben er på vej hen, " siger Maye. "Vi ønsker, at nanomaterialer skal udføre mange opgaver på én gang, og vi vil gerne være i stand til at slå deres interaktioner til og fra eksternt."

Mayes hold, derfor, har designet et system, hvor en høj temperatur (f.eks. 50 grader Celsius) får polymerstrenge til at krympe, derved blotlægge og gøre dem operationelle, og en lav temperatur får dem til at udvide sig, blokerer deres DNA-genkendelsesegenskaber.

Maye siger, at i en test, selvsamling mellem komplementære DNA-nanopartikler fandt sted ved kun en høj temperatur. I en anden undersøgelse, hans hold fandt ud af, at varme udløste frigivelsen af ​​doxorubicin ved DNA-skallen af ​​den kodede nanobærer.

For nylig opfundet af Maye og hans SU-kolleger, nanobæreren kan prale af en seks gange stigning i toksicitet, sammenlignet med dem, der er brugt i tidligere undersøgelser.

"Det nye ved denne tilgang er, at interpartikelbindinger er dynamiske og rekonfigurerbare, " siger Maye. "En sådan omkonfiguration kan føre til smarte faste stoffer og metamaterialer, der reagerer på miljøstimuli, meget på samme måde som smarte polymerer reagerer i bulk."

Maye og hans team har også brugt en række avancerede teknikker til bedre at forstå mekanismerne i deres system, herunder dynamisk lysspredning og småvinklet røntgenspredning.

"At være i stand til at styre nanopartikelsamling med temperatur giver os mulighed for at finjustere deres reaktioner og danne mere forudsigelige strukturer. Det giver os også et mere forbedret system til at skalere samling, " han siger.

Maye fortsætter med at forklare, at for DNA-kodede nanopartikler, sådanne klasser af partikler er en fremragende platform for lægemiddellevering:"Når de kombineres med termofølsomme polymerer som dem i vores system, de kunne blive meget lukrative."