Svampe og børster hjælper kræftbekæmpende nanopartikler med at overleve i kroppen

For en række innovative og livreddende medicinske behandlinger, fra organerstatninger og hudtransplantationer til kræftbehandling og kirurgi, succes afhænger ofte af at glide forbi eller afværge kroppens immunsystem. I en nylig udvikling, rettet mod at hjælpe med at opdage og behandle kræft, Drexel University-forskere kunne have fundet den ideelle overfladetekstur til at hjælpe mikroskopiske, medicinske hjælpere til at overleve i blodbanen uden at blive screenet ud af kroppens naturlige forsvarsmekanismer.

Forskerne, ledet af Hao Cheng, Ph.D., en assisterende professor i Materials Science and Engineering Department ved Drexel's College of Engineering, har undersøgt, hvordan man kan forlænge levetiden af ​​nanopartikler i kroppen. Disse passende navngivne små organiske molekyler kan skræddersyes til at rejse gennem blodbanen, søge og trænge ind i kræftsvulster. Med denne evne, de har vist store løfter, både som markører for tumorer og redskaber til at behandle dem. Men på dette tidspunkt, en væsentlig grænse for deres effektivitet er, hvor længe de er i stand til at forblive i cirkulation - derfor Chengs forfølgelse.

"De fleste syntetiske nanopartikler fjernes hurtigt i blodbanen, før de når tumorer. Kort blodcirkulationstid er en af ​​de største barrierer for nanopartikler i kræftbehandling og nogle andre biomedicinske anvendelser, "Cheng sagde. "Vores gruppe er ved at udvikle en let tilgang, der dramatisk udvider nanopartikelcirkulationen i blodet for at forbedre deres anti-tumor effektivitet."

Hans seneste opdagelse, offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano , viser, at overfladetopografi er nøglen til nanopartiklers overlevelse. Chengs forskergruppe viser, hvordan polymerskaller kan bruges til at skjule nanopartikler i blodbanen fra optagelse af immunsystemet og leveren - kroppens primære screenere til at fjerne skadelige ubudne gæster fra cirkulationen.

At blive 'flagget'

Så snart nanopartikler kommer ind i blodbanen, plasmaproteiner binder sig straks til deres overflader, en proces kaldet "proteinadsorption." Nogle af disse adsorberede proteiner opfører sig som en markør til at mærke nanopartikler som fremmedlegemer, fortæller immunsystemet at fjerne dem.

Tidligere, videnskabsmænd troede, at når nanopartiklerne var "proteinmærkede" makrofager, gatekeeper celler i immunsystemet, ville påtage sig det primære ansvar for at rense dem fra blodet. Men Chengs forskning fandt ud af, at leversinusformede endotelceller faktisk spiller en lige så vigtig rolle i at opfange kropslige angribere.

"Dette var et noget overraskende fund, " sagde Cheng. "Makrofager betragtes normalt som den vigtigste renser for nanopartikler i blodet. Mens sinusformede endotelceller i leveren udtrykker scavenger-receptorer, det var stort set ukendt, at en reduktion af deres optagelse af nanopartikler kunne have en endnu mere dramatisk effekt end bestræbelser på at forhindre mikrofagers optagelse."

Så for at holde nanopartikler i omløb var forskerne nødt til at udvikle en måde at forpurre begge sæt celler.

Lagring op

Metoden, der i øjeblikket bruges til at holde disse celler i skak, belægger nanopartiklerne med en polymerskal for at reducere proteinadsorption - og forhindrer dermed partiklerne i at blive målrettet til fjernelse.

Polyethylenglycol-PEG, kort sagt - er polymeren meget udbredt som nanopartikelbelægning, og en Chengs laboratorium har brugt i sit tidligere arbejde med at udvikle belægninger til nanopartikler, der kan trænge ind i solide tumorer. Forskere har vist, at implementering af PEG i et tæt, børste-lignende lag kan afvise proteiner; og pode det mindre tæt, i en form, hvor polymerstanderne ligner mere svampe, kan også forhindre proteinadsorption.

Men Drexel-forskerne opdagede, at kombinationen af ​​de to typer lag skaber en nanopartikelbelægning, der kan forpurre både proteiner og immunsystemets "bouncer"-celler.

"Vi fandt ud af, at der skal en svamp oven på en børste til for at holde nanopartikler 'usynlige' i blodbanen, " sagde Christopher Li, Ph.D., en professor i College of Engineering og medforfatter af papiret, hvis arbejde fokuserer på ingeniørbløde materialer, såsom polymerer. "Vores hierarkiske to-lags tilgang er en smart måde at kombinere fordelene ved både børstekonfigurationen, samt lavdensitet PEG-lag, der danner svampe."

At blive i spillet

Det viser sig, at med mere plads til at sprede sig ud på en nanopartikelskal, PEG "svampe" bølger som tang, der svinger i vand, gør nanopartikler vanskelige for makrofager og leversinusformede endotelceller at øse op. Det tætte indre lag af PEG-børster gør sit til at holde proteiner væk, dermed en formidabel kombination til at forlænge en nanopartikels tur i blodbanen.

"For første gang, vi viser, at en dynamisk overfladestruktur af nanomaterialer er vigtig for deres skæbne in vivo, " sagde Hao Zhou, Ph.D., som var ph.d.-studerende i Chengs laboratorium og hovedforfatteren af ​​papiret.

Med de hierarkiske polymerlag, der dækker ydersiden af ​​nanopartikler, Cheng fandt ud af, at de kan forblive i blodbanen i op til 24 timer. Dette er en fordobling i forhold til de bedste resultater i tidligere nanopartikelundersøgelser, og det betyder, at et større antal partikler ville være i stand til at nå deres endelige destination inde i tumorer.

"Denne opdagelse tyder på, at vi har identificeret den optimale PEG-konfiguration til belægning af nanopartikler, " sagde Wilbur B. Bowne, MD, en kræftkirurg og professor ved Drexel's College of Medicine, der har bidraget til avisen. "En forlængelse af cirkulationstiden til 24 timer udvider mulighederne for at bruge nanopartikler i kræftbehandling og -diagnostik."