Som et fiskenet, nanonet kollapser for at fange lægemiddelmolekyler

Northwestern University-forskere støber et net for nanopartikler.

Holdet har opdaget en ny, hurtig metode til fremstilling af nanopartikler fra en simpel, selvsamlende polymer. Den nye metode giver nye muligheder for forskellige anvendelser, herunder vandrensning, diagnostik og hurtigt genererende vaccineformuleringer, som typisk kræver, at mange forskellige typer molekyler enten opfanges eller leveres på samme tid.

Ved hjælp af et polymernet, der kollapser i nanoskala hydrogeler (eller nanogeler), metoden fanger effektivt over 95 % af proteinerne, DNA eller små molekyle lægemidler - alene eller i kombinationer. Til sammenligning, belastningseffektiviteten er typisk mellem 5% og 20% ​​for andre nanopartikelleveringssystemer.

"Vi bruger en polymer, der danner et bredt net gennem en vandig opløsning, " sagde Northwesterns Evan A. Scott, der ledede undersøgelsen. "Så får vi nettet til at kollapse. Det samler alt inden for løsningen, indfangning af terapeutiske midler inde i nanogel-leveringskøretøjer med meget høj effektivitet."

"Det fungerer som et fiskenet, som først spreder sig på grund af elektrostatisk frastødning og derefter krymper ved hydrering for at fange fisk, '" tilføjede Fanfan Du, en postdoc i Scotts laboratorium.

Avisen blev offentliggjort i sidste uge (29. september) i tidsskriftet Naturkommunikation .

Scott er Kay Davis-professor i biomedicinsk teknik ved Northwesterns McCormick School of Engineering. Nordvestlige professorer Monica Olvera de la Cruz og Vinayak Dravid var medforfatter til papiret.

Molekyler fundet i naturen, såsom DNA og peptider, kan hurtigt selv samle og organisere i forskellige strukturer. Efterligner denne proces ved hjælp af menneskeskabte polymersystemer, imidlertid, har været begrænset. Tidligere udviklede processer til selvmontering af lægemiddelleveringssystemer er tidskrævende, arbejdskrævende og svær at skalere. Processerne har også en tendens til at være sørgeligt ineffektive, kulminerer i, at en lille brøkdel af lægemidlet rent faktisk kommer ind i leveringssystemet.

"Klinisk anvendelse af selvsamlede nanopartikler har været begrænset af vanskeligheder med skalerbarhed og med belastning af store eller flere terapeutiske midler, især proteiner, " sagde Scott. "Vi præsenterer en meget skalerbar mekanisme, der stabilt kan indlæse næsten ethvert terapeutisk molekyle med høj effektivitet."

Scotts team fandt succes ved at bruge en polypropylensulfon (PPSU) homopolymer, som er meget opløseligt i dimethylsulfoxid (DMSO) opløsning, men danner elektrostatiske og hydrofile aggregater i vand. Aggregaterne er amfifile, hvilket får dem til at samles i netværk og til sidst kollapse til geler.

"At tilføje mere vand får netværket til at kollapse, fører til dannelsen af ​​nanogeler, " sagde Du. "Måden hvorpå vand tilsættes påvirker PPSU-kædedannelsen, som ændrer nanogelernes størrelse og struktur."

Atomistiske simuleringer - udført af Baofu Qiao i Olvera de la Cruz-gruppen - bekræftede, at nanostrukturerne blev stabiliseret af svag sulfon-sulfonbinding. Ved at bruge grovkornede simuleringer udført af Northwestern postdoc-stipendiat Trung Dac Nguyen, forskerne observerede nanonetstrukturerne. Dette åbner en ny mulighed for montering af bløde materialer ved hjælp af sulfon-sulfonbinding.

Ud over applikationer til medicinafgivelse, forskerne mener også, at den nye metode kan bruges til vandrensning. Netværket kan kollapse for at opsamle forurenende stoffer i vand, efterlader rent vand.