Observerer nano-bio-interaktioner i realtid

Forskere ved National University of Singapore (NUS) har udviklet en teknik til at observere, i realtid, hvordan individuelle blodkomponenter interagerer og modificerer avanceret nanopartikelterapi. Metoden, udviklet af et tværfagligt team bestående af kliniker-videnskabsmand adjunkt Chester Lee Drum fra Institut for Medicin ved NUS Yong Loo Lin School of Medicine, Professor T. Venky Venkatesan, Direktør for NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute, og adjunkt James Kah fra Institut for Biomedicinsk Teknik ved NUS Det Tekniske Fakultet, hjælper med at guide designet af fremtidige nanopartikler til at interagere i samspil med menneskelige blodkomponenter, dermed undgå uønskede bivirkninger.

Denne forskning blev offentliggjort online i tidsskriftet Lille , et top multidisciplinært tidsskrift, der dækker forskning på nano- og mikroskala, den 10. september 2015.

Udfordringer ved at bruge nanopartikler i diagnostiske og lægemiddelleveringssystemer

Med deres lille størrelse og mange funktioner, nanopartikler har tiltrukket sig intens opmærksomhed som både diagnostiske og lægemiddelleveringssystemer. Imidlertid, få minutter efter at være blevet leveret til blodbanen, nanopartikler er dækket af en skal af serumproteiner, også kendt som et protein 'corona'.

"Bindingen af ​​serumproteiner kan dybt ændre opførselen af ​​nanopartikler, til tider fører til hurtig clearance af kroppen og et formindsket klinisk resultat, " sagde Asst Prof Kah.

Eksisterende metoder såsom massespektroskopi og diffusionsradiusestimering, selvom det er nyttigt til at studere vigtige nanopartikelparametre, ikke er i stand til at give detaljerede, bindingskinetik i realtid.

Ny metode til at forstå nano-bio-interaktioner

NUS-teamet, sammen med ekstern samarbejdspartner professor Bo Liedberg fra Nanyang Technological University, viste meget reproducerbar kinetik for bindingen mellem guld-nanopartikler og de fire mest almindelige serumproteiner:humant serumalbumin, fibrinogen, apolipoprotein A-1, og polyklonalt IgG.

"Det bemærkelsesværdige ved dette projekt var initiativet taget af Abhijeet Patra, min kandidatstuderende fra NUS Graduate School for Integrative Sciences and Engineering, i konceptualiseringen af ​​problemet, og samle de forskellige teams i NUS og videre for at gøre dette til et vellykket program, " sagde Prof Venkatesan. "Nøgleudviklingen er brugen af ​​en ny teknik, der bruger overfladeplasmonresonans (SPR) teknologi til at måle proteinet corona dannet, når almindelige proteiner i blodbanen binder til nanopartikler, " han tilføjede.

Forskerne immobiliserede først guldnanopartiklerne til overfladen af ​​en SPR-sensorchip med et linkermolekyle. Chippen var specielt modificeret med et alginatpolymerlag, som både gav en negativ ladning og aktive steder for ligand-immobilisering, og forhindrede ikke-specifik binding. Ved hjælp af et 6 x 6 mikrofluidkanalarray, de studerede op til 36 nanopartikel-protein-interaktioner i et enkelt eksperiment, køre testprøver sammen med eksperimentelle kontroller.

"Reproducerbarhed og pålidelighed har været en flaskehals i undersøgelserne af proteincoronas, " sagde hr. Abhijeet Patra. "Kvaliteten og pålideligheden af ​​dataene afhænger vigtigst af designet af gode kontroleksperimenter. Vores multipleksede SPR-opsætning var derfor nøglen til at sikre pålideligheden af ​​vores data."

Testing different concentrations of each of the four proteins, the team found that apolipoprotein A-1 had the highest binding affinity for the gold nanoparticle surface, with an association constant almost 100 times that of the lowest affinity protein, polyclonal IgG. 

"Our results show that the rate of association, rather than dissociation, is the main determinant of binding with the tested blood components, " said Asst Prof Drum.

The multiplex SPR system was also used to study the effect of modification with polyethylene (PEG), a synthetic polymer commonly used in nanoparticle formulations to prevent protein accumulation. The researchers found that shorter PEG chains (2-10 kilodaltons) are about three to four times more effective than longer PEG chains (20-30 kilodaltons) at preventing corona formation.

"The modular nature of our protocol allows us to study any nanoparticle which can be chemically tethered to the sensing surface, " explained Asst Prof Drum. "Using our technique, we can quickly evaluate a series of nanoparticle-based drug formulations before conducting in vivo studies, thereby resulting in savings in time and money and a reduction of in vivo testing, " han tilføjede.

The researchers plan to use the technology to quantitatively study protein corona formation for a variety of nanoparticle formulations, and rationally design nanomedicines for applications in cardiovascular diseases and cancer.