Den bløde røntgenmetode lover nanocarrier-gennembrud for smart medicin

Før det enorme potentiale af bittesmå nanobærere til meget målrettet lægemiddellevering og miljømæssig oprydning kan realiseres, videnskabsmænd skal først kunne se dem.

I øjeblikket er forskere nødt til at stole på at vedhæfte fluorescerende farvestoffer eller tungmetaller til at mærke dele af organiske nanobærerstrukturer til undersøgelse, ofte ændre dem i processen. En ny teknik, der anvender kemisk følsomme "bløde" røntgenstråler tilbyder en enklere, non-disruptiv måde at få indsigt i denne nano-verden på.

I en undersøgelse offentliggjort af Naturkommunikation , et forskerhold demonstrerer evnen til røntgenmetoden på en smart drug delivery-nanopartikel og en polysæbe-nanostruktur beregnet til at fange råolie, der er spildt i havet.

"Vi har udviklet en ny teknik til at se på nanocarriers interne struktur, kemi og miljøadfærd uden nogen mærkning overhovedet - en ny evne, som indtil nu ikke har været mulig, " sagde Brian Collins, en Washington State University fysiker og tilsvarende forfatter på undersøgelsen. "I øjeblikket, du har brug for fluorescerende tags for at se inde i nanobærere, men dette kan ændre deres struktur og adfærd, især hvis de er lavet af kulstofbaserede materialer. Med denne nye teknik, vi har været i stand til at se ind i disse nanobærere, analysere deres kemiske identiteter og koncentrationer - og gør alt dette i deres helt naturlige tilstand, inklusive deres vandmiljø."

Organiske nanobærere, der bruges til lægemiddellevering, er ofte skabt af kulstofbaserede molekyler, som enten elsker eller hader vand. Disse såkaldte hydrofile og hydrofobe molekyler er bundet sammen og vil selv samle sig i vand med den vandhadende del gemmer sig inde i en skal af de vandelskende segmenter.

Hydrofobe stoffer vil også indsætte sig selv i strukturen, som er designet til kun at åbne og frigive stoffet i det syge miljø. For eksempel, nanocarrier teknologi har potentialet til at tillade kemoterapi, der kun dræber kræftceller uden at gøre patienten syg, muliggør mere effektive doser.

Mens nanobærere kan skabes på denne måde, Forskere kan ikke nemt se detaljerne i deres strukturer eller endda hvor meget stof der forbliver inde eller siver ud. Brugen af ​​fluorescerende etiketter kan fremhæve dele af nanobærere - endda få dem til at blinke - men de ændrer også bærerne i processen, nogle gange betydeligt.

I stedet, teknikken Collins og hans kolleger har udviklet bruger bløde resonansrøntgenstråler til at analysere nanobærerne. Bløde røntgenstråler er en speciel type lys, der ligger mellem ultraviolet lys og hårde røntgenstråler, som er den slags, læger bruger til at se en brækket knogle. Disse specielle røntgenstråler absorberes af næsten alt, inklusive luften, så den nye teknik kræver et højt vakuummiljø.

Collins' team tilpassede en blød røntgenmetode for at undersøge, hvad der kan udskrives, kulstofbaseret, plastik elektronik, så det ville fungere på disse vandbaserede organiske nanobærere - trænge ind i en tynd skive vand for at gøre det.

Hver kemisk binding absorberer en anden bølgelængde eller farve af bløde røntgenstråler, så for denne undersøgelse, forskere udvalgte røntgenfarver til at belyse forskellige dele af en smart medicin nanobærer gennem deres unikke bindinger.

"Vi tunede i det væsentlige røntgenfarven for at skelne mellem de bindinger, der allerede er der i molekylet, " sagde Collins.

Dette gjorde det muligt for dem at vurdere, hvor meget og hvilken type materiale der var i dens indre kerne, størrelsen og vandindholdet i den omgivende nano-skal samt hvordan nanobæreren reagerede på et skiftende miljø.

De brugte også den bløde røntgenteknik til at undersøge en polysæbe nanobærer, der blev udviklet til at fange råolie spildt i havet. Polysæber kan skabe en nanobærer fra et enkelt molekyle, maksimere deres overfladeareal til at opfange kulbrinter som dem, der findes i et olieudslip. Ved at bruge den nye teknik, forskerne opdagede, at den åbne svampelignende struktur af en polysæbe kan vare ved fra høje til lave koncentrationer, hvilket vil gøre det mere effektivt i virkelige applikationer.

"Det er vigtigt for forskere at kunne undersøge alle disse strukturer tæt på, så de kan undgå dyre forsøg og fejl, " sagde Collins.

Denne teknik skulle give forskere mulighed for at vurdere disse strukturers adfærd i forskellige miljøer, sagde Collins. For eksempel, til smart medicinlevering, der kan være forskellige temperaturer, pH-niveauer og stimuli i kroppen, og forskere vil vide, om nanostrukturerne forbliver sammen, indtil betingelserne er rigtige for at anvende stoffet. Hvis de kan fastslå dette tidligt i udviklingsprocessen, de kan være mere sikre på, at nanobærerne vil virke, før de investerer i tidskrævende medicinske undersøgelser.

"Vi forestiller os, at denne nye teknik vil muliggøre et meget hurtigere tempo og højere præcision i design og udvikling af disse spændende nye teknologier, " sagde Collins.