Forskere beskriver nanopartiklers adfærd in vivo

Nanopartikler anvendes aktivt i medicin som kontrastmidler samt til diagnosticering og behandling af forskellige sygdomme. Imidlertid, udviklingen af ​​nye multifunktionelle nanomidler hæmmes af vanskeligheden ved at overvåge deres blodcirkulation. Forskning fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi, Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganisk Chemistry of RAS, Moskva Teknisk Fysik Institut, Prokhorov General Physics Institute of RAS, og Sirius University har udviklet en ny ikke-invasiv metode til måling af nanopartikler i blodbanen, der kan prale af en høj tidsopløsning. Denne teknik har afsløret de grundlæggende parametre, der påvirker partiklernes levetid i blodbanen, som potentielt kan føre til opdagelse af nye, mere effektive nanomidler til brug i biomedicin. Resultaterne af undersøgelsen er blevet offentliggjort i Journal of Controlled Release .

Kliniske anvendelser af nanopartikler (NP) kræver en nøjagtig analyse af deres adfærd in vivo, især varigheden af ​​NP ophold i blodbanen. Det er parameteren, der bestemmer, om der er tid nok til, at NP kan spredes i hele kroppen, nå deres terapeutiske mål (f.eks. en tumor), og binde sig til det. Alternativt den alt for lange cirkulationstid kan føre til ophobning af partiklerne i sundt væv, dermed øge deres sidetoksicitet.

NP-cirkulationen i blodbanen studeres normalt ved at tage blodprøver og måle indholdet af nanoagenser. "Problemet med sådanne teknikker er, at partikler ofte fjernes fra blodbanen inden for få minutter, så forskeren er kun i stand til at tage to eller tre blodprøver, hvilket er utilstrækkeligt til analysen, " kommenterede undersøgelsens medforfatter Maxim Nikitin, der leder Nanobiotechnology Lab ved MIPT.

Bortset fra det, gentagen blodudtagning er stressende for organismen og kan indirekte påvirke partikelcirkulationen. De nye ikke-invasive metoder til overvågning af partikelaktivitet in vivo er derfor afgørende for udviklingen af ​​nanomedicin.

Forskerne brugte den magnetiske partikelkvantificeringsmetode (MPQ) udviklet af dem til at tage ikke-invasive målinger af blodpartikelkinetikken. Mus eller kanins haler blev placeret i MPQ-læserens detektionsspole, derefter blev dyrene injiceret med nanopartiklerne, og NP-koncentrationen i deres halevener og arterier blev overvåget i realtid. Denne teknologi kan også bruges med mennesker, e. g., via hænder eller fingerspidser placeret i detektionsspolen.

Den nye metode tilbyder en ikke-invasiv måde at opnå unik information om partikelkinetik på, som også er enklere end de traditionelle tilgange. Det muliggør yderligere udforskning af, hvad der kan påvirke partikeladfærd i dyrenes blodbane.

Forskerne undersøgte tre grupper af faktorer, herunder partiklernes fysisk-kemiske egenskaber, de særlige forhold ved deres administration, og tilstanden af ​​dyrets krop. Den mindre størrelse negativt ladede NP injiceret i højere doser forblev i blodbanen længere. Det har også vist sig, at hvis partikler injiceres i blodet gentagne gange, cirkulationen af ​​efterfølgende partikeldoser bliver væsentligt forlænget.

"Der er lignende tilfælde i klinisk praksis, når en patient indledningsvis injiceres med nanopartikel MRI-kontrastmidler (magnetiske partikler) og derefter med den terapeutiske NP såsom liposomer, der bærer lægemidler. Vi har vist, at partikler kan påvirke hinanden. som kan påvirke behandlingen, " sagde undersøgelsens forfatter, Ivan Zelepukin, en forsker ved det russiske videnskabsakademi Institut for bioorganisk kemi og MIPT.

Hvad der så ud til at være et af nøgleaspekterne var den NP-injicerede organismes tilstand. For eksempel, partikelcirkulationen kunne variere betydeligt blandt mus af forskellige genetiske stammer. Især denne forskel var kun tydelig for små 50 nanometer partikler, men ikke for større nanoagenser. Udover, hvis dyret havde en stor tumor, små NP blev elimineret fra blodet hurtigere; jo større kræftsvulsten var, jo mindre tid tog blodclearancen.

Forskerne antager, at dette kan være forbundet med dynamiske ændringer i immunsystemet og dets øgede evne til at genkende fremmedlegemer som reaktion på patologi. Disse resultater henleder opmærksomheden på vigtigheden af ​​at overveje virkningen af ​​organismens tilstand på effektiviteten af ​​nanopartikler i at designe de optimale nanolægemidler - et aspekt, der traditionelt er blevet ignoreret.

"Det er første gang en så omfattende undersøgelse af NP med ekstrem høj clearance rate er blevet udført. Det ville have været umuligt uden den metodik, der er ved at blive udviklet på General Physics Institute of RAS. MPQ-teknikken kombinerer høj følsomhed, høj tidsopløsning, og kvantitativ nøjagtighed. Bortset fra det, det er ikke-invasivt, og det muliggør detektion af NP-indhold næsten i realtid, sagde Petr Nikitin, en medforfatter af undersøgelsen og leder af Biophotonics Lab ved General Physics Institute of RAS.

"Vores metode gjorde det muligt for os at opdage nye cirkulationsmønstre og opnå en stor mængde værdifuld information. F.eks. vi har fundet ud af, at dyr havde forskellig partikeldynamik afhængigt af deres immunstatus, tilstedeværelse af tumorer, osv. I mellemtiden, den avancerede metodik krævede meget færre dyr til undersøgelsen. Dette er væsentligt ikke kun med hensyn til tid og økonomi, men også etikken omkring dyrs behandling i overensstemmelse med princippet om 3R'erne (Erstatning, Reduktion og forfining). We assume that a deeper understanding of the underlying mechanisms may considerably facilitate the rational design of nanomaterials with advanced surface functionality and superior pharmacokinetics for the next generation diagnostics and therapeutics."