Fluorescensbaseret værktøj afslører, hvordan medicinske nanopartikler nedbrydes biologisk i realtid

Nanopartikler er blevet udråbt som en potentiel "forstyrrende teknologi" inden for biomedicin, en alsidig platform, der kunne erstatte konventionelle teknologier, både som lægemiddelleveringsmidler og diagnostiske værktøjer.

Først, imidlertid, forskere skal demonstrere den korrekt timede opløsning af disse ekstremt små strukturer, en proces, der er afgørende for deres præstation og deres evne til at blive sikkert ryddet ud af en patients krop, efter deres arbejde er udført. En ny undersøgelse præsenterer en unik metode til direkte at måle nanopartikelnedbrydning i realtid i biologiske miljøer.

"Nanopartikler er lavet med meget forskellige designs og egenskaber, men alle skal til sidst elimineres fra kroppen, når de har fuldført deres opgave, " sagde kardiologiforsker Michael Chorny, Ph.D., fra The Children's Hospital of Philadelphia (CHOP). "Vi tilbyder en ny metode til at analysere og karakterisere demontering af nanopartikler, som et nødvendigt skridt i at omsætte nanopartikler til klinisk brug."

Chorny og kolleger beskrev denne nye metodologi i Proceedings of the National Academy of Sciences , offentliggjort online 3. marts, 2014, og i tidsskriftets trykte nummer den 18. marts.

CHOP-teamet har længe undersøgt biologisk nedbrydelige nanopartikler til medicinske anvendelser. Med diametre fra nogle få tiere til nogle få hundrede nanometer, disse partikler er 10 til 1000 gange mindre end røde blodlegemer (en nanometer er en milliontedel af en millimeter). En stor udfordring er løbende at overvåge nanopartiklers skæbne i biologiske modelmiljøer og i levende celler uden at forstyrre cellefunktioner.

"Nøjagtig måling af demontering af nanopartikler i realtid direkte i medier af interesse, såsom det indre af en levende celle eller andre typer komplekse biologiske miljøer, er udfordrende. Vores mål her var at udvikle en sådan ikke-invasiv metode, der giver upartiske resultater, " sagde Chorny. "Disse resultater vil hjælpe forskere med at tilpasse nanopartikelformuleringer til specifikke terapeutiske og diagnostiske anvendelser."

Undersøgelsesholdet brugte et fysisk fænomen kaldet Förster resonansenergioverførsel, eller FRET, som en slags molekylær lineal til at måle afstanden mellem komponenterne i deres partikler.

For det, forskerne mærkede deres formuleringer med fluorescerende prober, der udviste strålingsfri overførsel af energi, dvs. FRET, når de befinder sig i den samme partikel. Denne proces resulterer i et særligt fluorescensmønster, et "fingeraftryk" af fysisk intakte partikler, som gradvist forsvinder efterhånden som partikeladskillelsen skrider frem. Denne ændring i nanopartiklernes fluorescerende egenskaber kan overvåges direkte uden at adskille partiklerne fra deres miljø, giver mulighed for uforvrænget, kontinuerlige målinger af deres integritet.

"Molekylerne skal være meget tæt på hinanden, kun få nanometer fra hinanden, for at energioverførslen kan finde sted, " sagde Chorny. "Ændringerne i fluorescensmønstrene afspejler følsomt kinetikken ved demontering af nanopartikler. Baseret på disse resultater, vi kan forbedre partikeldesignet for at gøre dem sikrere og mere effektive."

Demonteringshastigheden er yderst relevant for specifikke potentielle anvendelser. For eksempel, nogle nanopartikler kan bære et lægemiddel beregnet til hurtig handling, mens andre bør holde stoffet beskyttet og frigivet på en kontrolleret måde over tid. At skræddersy formuleringsegenskaber til disse opgaver kan kræve omhyggelig justering af tidsrammen for demontering af nanopartikler. Det er her, denne teknik kan blive et værdifuldt værktøj, i høj grad letter optimeringsprocessen

I den aktuelle undersøgelse, forskerne analyserede, hvordan nanopartikler gik i opløsning både i flydende og halvflydende medier, og i vaskulære celler, der simulerer skæbnen for partikler, der bruges til at levere terapi til skadede blodkar. "Vi fandt ud af, at demontering sandsynligvis vil ske hurtigere tidligt i karhelingsprocessen og bremse senere. Dette kan have konsekvenser for designet af nanopartikler beregnet til målrettet lægemiddel, gen- eller celleterapi af vaskulær sygdom, " sagde Chorny.

Chorny og kolleger har længe undersøgt brugen af ​​nanopartikler formuleret som bærere, der leverer antiproliferative lægemidler og bioterapeutika til blodkar, der er udsat for farlig restenose (genblokering). Mange af disse undersøgelser, i Cardiology Research Laboratory af CHOP medforfatter Robert J. Levy, M.D., bruge eksterne magnetiske felter til at lede jernoxid-imprægnerede nanopartikler til metalliske arterielle stenter, smalle stilladser implanteret i blodkar.

Den aktuelle forskning, sagde Chorny, mens det er umiddelbart relevant for restenoseterapi og magnetisk styret levering, har meget bredere anvendelsesmuligheder. "Nanopartikler kunne formuleres med kontrastmidler til diagnostisk billeddannelse, eller kunne levere kræftmedicin til en tumor, " sagde han. "Vores måleværktøj kan hjælpe forskere med at udvikle og optimere deres nanomedicinske formuleringer til en række medicinske anvendelser."