Selvmonterede behårede nanopartikler kunne give et dobbelt slag til kræft

"Hårede" nanopartikler lavet med lysfølsomme materialer, der samler sig selv, kan en dag blive "nano-bærere", som giver lægerne en ny måde at introducere både terapeutiske lægemidler og kræftbekæmpende varme i tumorer på. Det er en potentiel applikation for en ny teknologi, der kombinerer vandafvisende, men alligevel lysfølsomme og vandabsorberende materialer til polymere nano-reaktorer til at skabe fotoreaktive guld-nanopartikler.

Lys med specifikke bølgelængder får nanopartiklerne til at samles og skilles ad efter behov, tillader den dynamiske organisering af nanopartiklerne til smart in vitro-lægemiddelfrigivelse. Ved at inkludere kemoterapimolekyler i nanopartikelstrukturerne, når de samles, molekylerne kunne trækkes ind i tumorer - og derefter frigives med påføring af et lys med en kortere bølgelængde, der udløser adskillelse gennem fotospaltning.

Ud over en sådan dynamisk selvmontering og demontering, indkapsling og frigivelse af kemoterapimolekyler kunne også opnås ved reversibel kovalent binding af anticancerlægemidler til de polymere "hår" placeret på overfladen af ​​nanopartikler. Og ved at absorbere det samme lys, der udløser lægemiddelfrigivelsen, guld-nanopartiklerne kunne også opvarme kræftcellerne, giver et dobbelt slag.

I en lang række andre applikationer, processen til selvsamling af nanopartikler kan også udløses af miljøfaktorer, herunder temperatur, pH eller opløsningsmiddelpolaritet ved rationelt at designe de polymere hår. I dette studie, guld nanopartikler blev brugt, men processen kunne også lave selvsamlede nanopartikler af en række forskellige metaller og metaloxider. Ved at skræddersy overfladen af ​​nanopartikler med vandabsorberende polymerer indeholdende nær-infrarødt reagerende komponenter, lægemiddelfrigivelsen kunne udføres in vivo.

De sfæriske guldnanopartikler kan erstattes med mere komplekst formede nanopartikler – såsom hule nanopartikler, nanorods, eller nanorør-for at give en bedre absorption af nær-infrarødt lys for at trænge ind i biologiske væv. Ingen test af disse nanopartikler er hidtil blevet udført i levende celler eller organismer.

Forskningen blev støttet af Air Force Office of Scientific Research og National Science Foundation, og blev rapporteret 31. januar i den tidlige udgave af tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences . Materialeforskere fra Georgia Institute of Technology og South China University of Technology var medforfatter til papiret.

"Vi forestiller os, at disse foto-responsive polymer-kappede guld-nanopartikler en dag kan tjene som nano-bærere for lægemiddellevering til kroppen ved hjælp af vores robuste og reversible proces til montering og adskillelse, " sagde Zhiqun Lin, en professor ved Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Bruges i kræftbehandling, denne proces kunne øge virkningen af ​​en behandling ved at opvarme kræftcellerne, mens lægemiddelforbindelsen introduceres i tumoren."

Under lys, samlingerne af lysfølsomme nanopartikler adskilles over en periode på timer med en hastighed, der kan styres af lysets intensitet og bølgelængde. "Fordi demonteringen kan tændes og slukkes efter ønske, vi kunne give en tidsbestemt frigivelse af lægemidlet ved at kontrollere lyseksponeringen med kort bølgelængde, "Tilføjede Lin.

De behårede nanopartikler er fremstillet omkring en lillebitte kerne af beta-cyclodextrin, hvorfra polymerkæder af poly(acrylsyre)-blok-poly(7-methylacryloyloxy-4-methylcoumarin) (PAA-b-PMAMC) dyrkes. Dette materiale tiltrækker vandopløselige metalprækursorer, som bruger rummet inde i polymerhårene som nano-reaktorer til at danne guld-nanopartikler.

Til disse indre strukturer – som er hydrofile PAA-polymerer – tilføjer forskerne hår lavet af den hydrofobe monomer MAMC. Disse materialer er følsomme over for lys, og få nanopartiklerne til at samle sig selv gennem en fotodimeriseringsproces – tværbinding – når de udsættes for lys ved en bølgelængde på 365 nanometer.

Monteringsprocessen kan pålideligt vendes ved behov ved hjælp af en kortere bølgelængde ved 254 nanometer.

"Når polymerkæderne fra tilstødende guldnanopartikler begynder at fototværbinde, de bringer nanopartikler sammen via en selvsamlingsproces for at generere store samlinger af nanopartikler, " sagde Lin. "Denne proces er fuldstændig reversibel og kan gentages i mange cyklusser."

Forskerholdet inkorporerede farvestofmolekyler i de selvsamlede nanopartikler for at simulere, hvad der kunne gøres for at inkorporere og derefter frigive kemoterapimidler. Et magnetisk oxidmateriale, der er inkorporeret i nanopartiklerne, kan tillade, at samlingerne ledes til et tumorsted af en ekstern magnet, og kunne også understøtte diagnostisk billeddannelse.

Ud over stoffernes aktivitet, de plasmoniske virkninger af guldnanopartiklerne kunne opvarme nanopartiklerne, når de udsættes for lys, angriber kræftcellerne ad en anden vej.

Ud over de potentielle medicinske anvendelser, selvmonteringsteknikken kunne have anvendelser i optik, optoelektronik, magnetiske teknologier, sensormaterialer og -udstyr, katalyse og nanoteknologi. Teknikken kan også føre til ny grundforskning i krystallisationskinetik, ved hjælp af selvsamlingsprocessen til at skabe "kunstige krystaller" holdt sammen af ​​polymerkæder.

Lins laboratorium har arbejdet på de amfifile stjerneformede blokpolymerer i flere år, tilføje nye funktioner og udforske nye muligheder for nanopartikelsystemerne.

"Vores arbejde giver en designstrategi, der tillader manipulation af både den ydre blok og den indre blok af en stjerneformet blokcopolymer, " sagde han. "Vores grundlæggende bidrag i dette arbejde er omhyggeligt at forberede en stjerneformet blok-copolymer, hvor den indre blok har evnen til at koordinere med metalprækursorer, mens den ydre blok tillader foto-responsive materialer at interagere, som igen gør fremstilling af foto-responsive guld-nanopartikler til lysaktiveret reversibel og pålidelig selvmontering. "