Mikronåle låser op for curcumins terapeutiske potentiale

Mens gurkemejerod er blevet brugt medicinsk i hele verden i århundreder, har videnskaben fundet ud af, at dens vigtigste kemiske komponent, curcumin, nedbrydes i kroppen, før dens ultimative fordele kan opnås. Et spændende samarbejde mellem Carnegie Mellon University-forskerne Sai Yerneni, Phil Campbell, Burak Ozdoganlar og Ezgi Yalcintas har skabt en tilgang til unikt at muliggøre brugen af ​​curcumin som et robust terapeutisk middel.

Curcumin er en anti-kræft, anti-inflammatorisk, antioxidant og antibakteriel polyphenol, der findes i gurkemeje. Dens isolerede, rene form er imidlertid ikke stabil på grund af dens hurtige nedbrydning inden i og clearance fra kroppen. Dette repræsenterer en af ​​de største hindringer for dets oversættelse som et praktisk terapeutisk middel. Det tjener også som motivation for forskere til at udforske indkapslingsstrategier for at beskytte curcumin inde i den menneskelige krop.

En sådan indkapslingstilgang er at inkorporere curcumin i exosomer. Exosomer er nanometriske ekstracellulære vesikler, som den menneskelige krop bruger til celle-til-celle kommunikation ved at flytte proteiner, lipider, nukleinsyrer og metabolitter. Ved at placere curcumin i exosomer er kemikaliet stabilt nok til at rejse gennem hele kroppen og opnå sin terapeutiske effekt. Selvom andre forskere har forsøgt at bruge exosomer til at levere curcumin, var forbedringen i curcumins stabilitet utilstrækkelig til dets brug som et terapeutisk middel.

Albumin, et naturligt stabilisatorprotein, der forekommer i den menneskelige krop, kan løse denne udfordring. Yerneni, en postdoc-forsker i kemiteknik, og Campbell, en forskningsprofessor i biomedicinsk teknik, har udviklet en hybrid tilgang til at udnytte de unikke egenskaber ved både exosomer og albumin. De konstruerede et exosom-albumin-hybridsystem til at levere terapeutika, inklusive curcumin.

"Tidligere forsøg på at indlæse curcumin i forskellige lipidmembranbundne nanopartikler led af, at curcumin enten var upålideligt belastet eller udsat for korte retentionstider, hvorimod inklusion af albumin binder til curcuminet og holder det i lumen af ​​exosomet, beskyttet mod nedbrydning, " sagde Campbell.

Selvom albumin-curcumin-association og exosom-indkapsling kunne give et stabilt lægemiddelleveringssystem, forbliver målrettet levering til ønskede væv eller organer en anden udfordring. Når de injiceres i blodet, har de fleste exosomer en tendens til at akkumulere i leveren i stedet for at nå det målrettede organ eller væv. Til dette formål er en attraktiv tilgang at levere de curcumin-albuminholdige exosomer ved hjælp af microneedle array patches til hudmålrettede applikationer.

Microneedle arrays (MNA) indeholder snesevis eller hundredvis af nåle, hver så tynd som et menneskehår og usynlig for det blotte øje. Gennem en fremstillings- og påføringsproces først arrangeres disse mikroskala-nåle i et array-format på et plaster, der er mindre end en øre. Opløselige mikronåle dannes ved at blande lægemidlet - exosomer i dette tilfælde - med en type sukker og størkne dem til deres form.

Når de indsættes i væv, opløses nålene væk og afgiver lægemidlet på en målrettet og præcis måde. På grund af deres lille størrelse forårsager mikronåle ikke vævsskade. Som sådan kan de bruges som en smertefri måde at levere terapeutika ind i eller gennem huden, hvilket forbedrer patientens compliance og målrettet levering. Navnlig kan mikronåleplastrene administreres af patienterne selv uden noget specielt udstyr eller uddannelse.

Forskerne fandt en anden stor fordel ved at bruge MNA'er. Da de exosomberigede curcuminforbindelser blev inkorporeret i MNA'er, fandt holdet, at stabiliteten af ​​disse forbindelser ved stuetemperatur steg dramatisk. Systemet kan opbevares i op til et år uden behov for køleopbevaring.

"Dette er stort, fordi en af ​​de største ulemper ved nuværende vacciner er logistikken for transport, der kræver køleopbevaring," sagde Yerneni. Han forklarede, at dette især er til ulempe for fattigere lande, som ikke kan facilitere lange kølelagerforsyningskæder. Yerneni er optimistisk om, at denne teknologi kan overvinde disse forhindringer.

En samarbejdsrejse

Yerneni og Campbell havde ikke behøvet at gå langt for at finde en samarbejdspartner til at levere exosomer ved at bruge mikronåle-arrays, fordi en af ​​verdens førende eksperter i teknologien var lige nede i gangen. Burak Ozdoganlar, en professor i maskinteknik, havde ledet bestræbelserne på at udvikle forskellige mikronåle i mere end et årti sammen med afdøde Lee Weiss, en professor i Carnegie Mellon's Robotics Institute.

En af de originale inspirationer til MNA'er kom fra Weiss, som konceptualiserede ideen om "mikro-velcro" eller mikro-modhager, en række titaniumprojekter i form af en pilespids. Ozdoganlar og Weiss arbejdede sammen i midten af ​​2000'erne og udviklede fremstillingsmetoder for at bringe "mikrovelcroen" til virkelighed. Senere samarbejdede Ozdoganlar med medicinske forskere fra University of Pittsburgh for at demonstrere anvendelsen af ​​MNA'er til en række sygdomme og tilstande, herunder hudkræft, og for nylig til COVID-vaccination.

Yalcintas, en tidligere ph.d. studerende fra Ozdoganlars forskningsgruppe, arbejdede tæt sammen med Yerneni om curcumin-projektet. "Dette var et sandt samarbejde mellem to fremragende forskergrupper. Takket være Ezgi og Sais fremragende arbejde har vi med succes demonstreret den lokale levering af curcumin til huden og dets effektivitet til at blokere og aftage inflammation," sagde Ozdoganlar. "Dette kan i høj grad påvirke behandlingen af ​​en række hudsygdomme og muligvis forskellige hudkræftformer."

Udgivet i Acta Biomaterialia , holdets forskning viser, at exosom/MNA-hybridsystemet er en effektiv måde at levere curcumin til huden på. Dette vil give læger mulighed for at bruge curcumin som et helt naturligt terapeutisk middel. Holdet har vist, at dette er en effektiv behandling til at sænke lokal hudbetændelse i små dyremodeller, men yderligere forskning er nødvendig for at udforske curcumins andre egenskaber.

Dernæst planlægger holdet at udføre yderligere eksperimenter ved hjælp af sygdomsspecifikke dyremodeller for at bevise, at fordelene ved curcumin kan realiseres ved hjælp af et exosom-albumin-leveringssystem og mikronåle-arrays.

"Vi har med succes indlæst exosome-albumin leveringssystem med curcumin," sagde Yerneni. "Denne teknologi bliver udvidet til at levere andre lægemidler og potentielt kontrollere andre hudsygdomme såsom cancer (melanom), psoriasis og hudsår." + Udforsk yderligere

Gurkemejeforbindelse hjælper med at dyrke konstruerede blodkar og væv