Nye selvdrevne nanopartikler udviklet til at levere helbredende lægemidler direkte til knoglesprækker

(Phys.org) - En ny metode til at finde og levere helbredende lægemidler til nydannede mikrosprækker i knogler er blevet opfundet af et team af kemikere og bioingeniører ved Penn State University og Boston University. Metoden involverer målrettet levering af stofferne, direkte til revnerne, på ryggen af ​​bittesmå selvdrevne nanopartikler. Energien, der roterer motorerne i nanopartiklerne og sender dem susende mod revnen, kommer fra en overraskende kilde - selve revnen.

"Når der opstår en revne i en knogle, det forstyrrer mineralerne i knoglen, som udvaskes som ladede partikler - som ioner - der skaber et elektrisk felt, som trækker de negativt ladede nanopartikler mod revnen, "sagde Penn State Professor i kemi Ayusman Sen, en leder af forskerteamet. "Vores eksperimenter har vist, at en biokompatibel partikel hurtigt og naturligt kan levere et osteoporosemedicin direkte til en nyligt revnet knogle."

Sen sagde, at dannelsen af ​​denne form for elektrisk felt er et velkendt fænomen, men andre forskere havde tidligere ikke brugt det som både en strømkilde og et pejlemærke til aktivt at levere knoglehelende medicin til de steder, der har størst risiko for brud eller aktiv forringelse. "Det er en ny måde at opdage revner og levere medicin til dem, "sagde teamleder og professor ved Boston University Mark Grinstaff.

Metoden er mere energisk og mere målrettet end nuværende metoder, hvor medicin kører passivt på cirkulerende blodbanen, hvor de måske eller måske ikke når frem til mikrosprækker i en tilstrækkelig høj dosis til at starte helbredelse. Den nye metode løfter om at behandle - så snart de dannes - de mikrosprækker, der fører til knækkede knogler hos patienter med osteoporose og andre medicinske tilstande.

For at finde en måde at helbrede mikrosprækker, før de vokser til pauser, Sen og hans kandidatstuderende Vinita Yadav slog deres kemilaboratorium sammen med Grinstaffs kemi/biomedicinsk ingeniørlaboratorium. Forskerne lavede derefter en række eksperimenter i hvert af deres laboratorier. Et videnskabeligt papir, der beskriver disse eksperimenter, offentliggøres denne måned i det internationale kemitidsskrift Angewandte Chemie .

Sen og Yadavs første række eksperimenter testede deres nye måde at levere medicin på i et modelsystem ved hjælp af knogler fra et menneskebenben og lårben og meget små fluorescerende partikler kaldet kvanteprikker fremstillet af et syntetisk materiale. Sen sagde, "Vi tilføjede fluorescens til disse partikler, fordi fluorescens gør dem så lette at se under et mikroskop." Denne første række tests viste, at negativt ladede kvantepunkter gjorde, Ja, bevæge sig mod og hober sig op på en nydannet revne.

Forskerne testede derefter deres system ved hjælp af et naturligt biologisk materiale - et proteinmolekyle - for at se, om det ville fungere på menneskelig knogle samt de syntetiske kvantepunkter, der opførte sig. Resultaterne af disse tests var opmuntrende. Så holdet ledet af Sen og Grinstaff satte baren endnu højere, gør deres næste sæt eksperimenter med nanomotorer fremstillet af både et biologisk materiale og et syntetisk materiale. De ville se, om de kunne vedhæfte det biologiske materiale - et lægemiddel, der bruges til behandling af knogleskørhed - på et syntetisk materiale, der kunne bære det, som en nanotruck, til en revne i en menneskeknogle. Det syntetiske materiale, forskerne valgte til at bære osteoporose-lægemidlet (polymælkesyre-co-glykolsyre) er godkendt af Federal Drug Administration og er i vid udstrækning brugt til medicinsk udstyr. Målet med dette sæt eksperimenter var at lave en selvdrevet nanotruck, der kunne bære osteoporosemedicinen (natriumalendronat) og ville have en god chance for at være sikker til brug inde i menneskekroppen.

Ligesom nanopartiklerne i de tidligere tests, det FDA-godkendte nanotruck-materiale havde et lille fluorescerende molekyle knyttet til det, så dets bevægelser kunne ses under et mikroskop. "Vores eksperimenter viser, at denne biosikre nanomotor kan, faktisk, med succes bære osteoporosemedicinen til en frisk revne i en menneskelig knogle, "Sagde Sen. Han forklarede, at selv når disse nanomotorer var fyldt med millioner af molekyler af deres knoglehelende last, hver enkelt var stadig 30-40 gange mindre end en rød blodlegeme.

I et sidste sæt eksperimenter, udført i Grinstaff -laboratoriet ved Boston University, kandidatstuderende Jonathan Freedman testede det samme osteoporosemedicin på levende menneskelige knogleceller. "De behandlede knogleceller steg i antal sammenlignet med dem, der ikke blev behandlet med osteoporose -lægemidlet, som bekræfter andre undersøgelser, der har vist, at dette lægemiddel er effektivt til at reparere menneskelige knogler, "Sagde Grinstaff.

"Det, der gør vores nanomotorer anderledes, er, at de aktivt og naturligt kan levere medicin til et målrettet område, "Sagde Sen." Nuværende metoder, i modsætning, involvere at tage et lægemiddel og håbe på, at nok af det når, hvor det er nødvendigt for helbredelse. "Nu hvor dette nanomotor-drevne medicinleveringssystem er kommet i gang, det vil have brug for mange flere tests og meget videre udvikling, før det kan bevises sikkert og effektivt til forebyggelse af knækkede knogler hos patienter med tilstande som osteoporose.