Nanowire-implantater tilbyder fjernstyret medicinlevering

Et team af forskere har skabt et nyt implanterbart system til levering af lægemidler ved hjælp af nanotråde, der kan kontrolleres trådløst.

Nanotrådene reagerer på et elektromagnetisk felt genereret af en separat enhed, som kan bruges til at kontrollere frigivelsen af ​​et forudindlæst lægemiddel. Systemet eliminerer rør og ledninger, der kræves af andre implanterbare enheder, der kan føre til infektion og andre komplikationer, sagde teamleder Richard Borgens, Purdue Universitets Mari Hulman George Professor i Anvendt Neurovidenskab og direktør for Purdues Center for Lammelsesforskning.

"Dette værktøj giver os mulighed for at anvende medicin efter behov direkte på skadestedet, som kunne have brede medicinske anvendelser, "Borgens sagde." Teknologien er i de tidlige stadier af testning, men det er vores håb, at dette en dag kan bruges til at levere medicin direkte til rygmarvsskader, sårdannelse, dybe knogleskader eller tumorer, og undgå de frygtelige bivirkninger ved systemisk behandling med steroider eller kemoterapi. "

Holdet testede lægemiddelleveringssystemet i mus med kompressionsskader på rygmarven og administrerede kortikosteroid dexamethason. Undersøgelsen målte en molekylær markør for betændelse og ardannelse i centralnervesystemet og fandt, at den var reduceret efter en uges behandling. Et papir med detaljer om resultaterne vil blive offentliggjort i et kommende nummer af Journal of Controlled Release og er i øjeblikket tilgængelig online.

Nanotråde er lavet af polypyrrol, et ledende polymermateriale, der reagerer på elektromagnetiske felter. Wen Gao, en postdoktor i Center for Lammeforskning, der arbejdede på projektet med Borgens, voksede nanotrådene lodret over en tynd guldbase, som små fibre, der udgør et stykke shag -tæppe hundredvis af gange mindre end en menneskelig celle. Nanotråde kan fyldes med et lægemiddel og når det korrekte elektromagnetiske felt anvendes nanotrådene frigiver små mængder af nyttelasten. Denne proces kan startes og stoppes efter ønske, som at vende en switch, ved hjælp af den tilsvarende elektromagnetiske feltstimulerende enhed Sagde Borgens.

Forskerne fangede og transporterede et stykke af nanotrådtæppet på vanddråber, der blev brugt til at levere det til skadestedet. Nanotrådplasterne klæber til skadestedet gennem overfladespænding, Sagde Gao.

Størrelsen og bølgeformen af ​​det elektromagnetiske felt skal indstilles for at opnå den optimale frigivelse af lægemidlet, og de præcise mekanismer, der frigiver stoffet, er endnu ikke godt forstået, hun sagde. Teamet undersøger frigivelsesprocessen.

Det elektromagnetiske felt påvirker sandsynligvis interaktionen mellem nanomaterialet og lægemiddelmolekylerne, Sagde Borgens.

"Vi tror, ​​at det er en kombination af ladningseffekter og polymerens formændring, der gør det muligt at lagre og frigive lægemidler, "sagde han." Det er en reversibel proces. Når det elektromagnetiske felt er fjernet, polymeren klikker tilbage til den oprindelige arkitektur og bevarer de resterende lægemiddelmolekyler. "

For hvert enkelt lægemiddel skulle teamet finde det tilsvarende optimale elektromagnetiske felt til dets frigivelse, Sagde Gao.

Denne undersøgelse bygger på tidligere arbejde af Borgens og Gao. Gao skulle først finde ud af, hvordan man dyrker polypyrrol i en lang lodret arkitektur, som gør det muligt at holde større mængder af et lægemiddel og forlænger den potentielle behandlingsperiode. Holdet demonstrerede derefter, at det kunne manipuleres med at frigive dexamethason efter anmodning. Et papir med detaljer om arbejdet, med titlen "Handling på afstand:Funktionel lægemiddellevering ved hjælp af elektromagnetisk feltresponsive Polypyrrol-nanotråde, "blev offentliggjort i tidsskriftet Langmuir .

Andre teammedlemmer involveret i forskningen omfatter John Cirillo, hvem har designet og konstrueret det elektromagnetiske feltstimulerende system; Youngnam Cho, et tidligere fakultetsmedlem ved Purdues Center for Lammeforskning; og Jianming Li, en forskningsassistent professor på centret.

Til den seneste undersøgelse brugte teamet mus, der var blevet genetisk modificeret, så proteinet Glial Fibrillary Acidic Protein, eller GFAP, er selvlysende. GFAP udtrykkes i celler kaldet astrocytter, der samles i store mængder ved skader i centralnervesystemet. Astrocytter er en del af den inflammatoriske proces og danner et arvæv, Sagde Borgens.

En 1-2 millimeter plaster af nanotråde dopet med dexamethason blev placeret på rygmarvslæsioner, der var blevet eksponeret kirurgisk, Sagde Borgens. Læsionerne blev derefter lukket, og et elektromagnetisk felt blev påført i to timer om dagen i en uge. Ved udgangen af ​​ugen havde de behandlede mus et svagere GFAP -signal end kontrolgrupperne, som omfattede mus, der ikke blev behandlet, og dem, der modtog en nanotrådplaster, men ikke blev udsat for det elektromagnetiske felt. I nogle tilfælde, behandlede mus havde intet påviseligt GFAP -signal.

Om reduktionen i astrocytter havde nogen væsentlig indvirkning på rygmarvsheling eller funktionelle resultater blev ikke undersøgt. Ud over, koncentrationen af ​​lægemiddel, der opretholdes under behandlingen, er ikke kendt, fordi den er under grænserne for systemisk detektion, Sagde Borgens.

"Denne metode tillader en meget, meget lille dosis af et lægemiddel til effektivt at tjene som en stor dosis lige der, hvor du har brug for det, "Borgens sagde." På det tidspunkt, hvor stoffet diffunderer fra stedet ud i resten af ​​kroppen, er det i mængder, der ikke kan påvises i de sædvanlige tests for at overvåge koncentrationen af ​​lægemidler i blodbanen. "

Polypyrrol er et inert og biokompatibelt materiale, men teamet arbejder på at skabe en bionedbrydelig form, der ville opløses efter behandlingsperioden, han sagde.

Teamet forsøger også at øge den dybde, hvormed lægemiddelleveringsenheden vil fungere. Det nuværende system ser ud til at være begrænset til en dybde i væv på mindre end 3 centimeter, Sagde Gao.