Størrelse betyder noget ved partikelbehandlinger af traumatiske skader

Traumatiske skader er den førende dødsårsag i USA blandt mennesker på 45 år og derunder, og sådanne skader tegner sig for mere end 3 millioner dødsfald om året på verdensplan. For at reducere dødstallet for sådanne skader arbejder mange forskere på injicerbare nanopartikler, der kan komme ind på stedet for en indre skade og tiltrække celler, der hjælper med at stoppe blødningen, indtil patienten kan nå et hospital for yderligere behandling.

Mens nogle af disse partikler har vist lovende i dyreforsøg, er ingen blevet testet i humane patienter endnu. En årsag til det er mangel på information om virkningsmekanismen og potentielle sikkerhed for sådanne partikler. For at kaste mere lys over disse faktorer har MIT-kemiingeniører nu udført den første systematiske undersøgelse af, hvordan polymer-nanopartikler af forskellig størrelse cirkulerer i kroppen og interagerer med blodplader, de celler, der fremmer blodkoagulation.

I en undersøgelse af rotter viste forskerne, at partikler i et mellemstørrelsesområde, omkring 150 nanometer i diameter, var de mest effektive til at stoppe blødning. Disse partikler var også meget mindre tilbøjelige til at rejse til lungerne eller andre steder uden for målet, hvilket større partikler ofte gør.

"Med nanosystemer er der altid en vis ophobning i leveren og milten, men vi vil gerne have mere af det aktive system til at samle sig ved såret end ved disse filtreringssteder i kroppen," siger Paula Hammond, professor ved MIT Institute , leder af Institut for Kemiteknik og medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Hammond; Bradley Olsen, Alexander og I. Michael Kasser professor i kemiteknik; og George Velmahos, professor i kirurgi ved Harvard Medical School og chef for traumer, akutkirurgi og kirurgisk kritisk pleje ved Massachusetts General Hospital, er de ledende forfattere af undersøgelsen.

MIT kandidatstuderende Celestine Hong er hovedforfatter af papiret, som vises i tidsskriftet ACS Nano .

Størrelseseffekter

Nanopartikler, der kan stoppe blødning, også kaldet hæmostatiske nanopartikler, kan fremstilles på en række forskellige måder. En af de mest almindeligt anvendte strategier er at skabe nanopartikler lavet af en biokompatibel polymer konjugeret med et protein eller peptid, der tiltrækker blodplader, de blodceller, der initierer blodkoagulation.

I denne undersøgelse brugte forskerne en polymer kendt som PEG-PLGA, konjugeret med et peptid kaldet GRGDS, til at fremstille deres partikler. De fleste af de tidligere undersøgelser af polymerpartikler for at stoppe blødning har fokuseret på partikler i størrelse fra 300 til 500 nanometer. Men få, om overhovedet nogen, undersøgelser har systematisk analyseret, hvordan størrelsen påvirker nanopartiklernes funktion.

"Vi prøvede virkelig at se på, hvordan størrelsen af ​​nanopartiklerne påvirker dens interaktioner med såret, som er et område, der ikke er blevet udforsket med polymer-nanopartiklerne brugt som hæmostater før," siger Hong.

Dyreundersøgelser har vist, at større nanopartikler kan hjælpe med at stoppe blødning, men disse partikler har også en tendens til at samle sig i lungerne, hvilket kan forårsage uønsket koagulation der. I den nye undersøgelse analyserede MIT-holdet en række nanopartikler, herunder små (mindre end 100 nanometer), mellemliggende (140 til 220 nanometer) og store (500 til 650 nanometer).

Først analyserede de partiklerne i laboratoriet for at studere, hvordan de interagerer med aktive blodplader under en række forskellige forhold. En af deres test målte, hvor godt partiklerne bandt sig til blodplader, da blodpladerne strømmede gennem et rør. I denne test resulterede de mindste nanopartikler i den største procentdel af bundne blodplader. I en anden test målte de, hvor godt nanopartikler kunne klæbe til en overflade belagt med blodplader. I dette scenarie satte de største nanopartikler sig bedst fast.

Derefter stillede forskerne et lidt andet spørgsmål og analyserede, hvor meget af massen, der klæbede til overfladen, var nanopartikler, og hvor meget var blodplader, fordi det ultimative mål er at tiltrække så mange blodplader som muligt. Ved at bruge dette benchmark fandt de ud af, at de mellemliggende partikler var de mest effektive.

"Hvis du tiltrækker en masse nanopartikler, og de ender med at blokere blodpladebinding, fordi de klumper sig på hinanden, er det ikke særlig nyttigt. Vi vil have, at blodplader kommer ind," siger Hong. "Da vi lavede det eksperiment, fandt vi ud af, at den mellemliggende partikelstørrelse var den, der endte med det største blodpladeindhold."

Stop blødning

Forskerne testede derefter de tre størrelsesklasser af nanopartikler i mus. Først injicerede de partiklerne i raske mus for at undersøge, hvor længe de ville cirkulere i kroppen, og hvor de ville ophobes. De fandt ud af, at som set i tidligere undersøgelser var de største partikler mere tilbøjelige til at akkumulere i lungerne eller andre steder uden for målet, og deres cirkulationstid var kortere.

I samarbejde med deres samarbejdspartnere på MGH brugte forskerne derefter en rottemodel for indre skader til at undersøge, hvilke partikler der ville være mest effektive til at stoppe blødning. De fandt ud af, at de mellemstore partikler så ud til at virke bedst, og at disse partikler også viste den største akkumuleringshastighed på sårstedet.

"Denne undersøgelse tyder på, at de større nanopartikler ikke nødvendigvis er det system, vi ønsker at fokusere på, og det synes jeg ikke var tydeligt fra det tidligere arbejde. At være i stand til at rette opmærksomheden mod denne mellemstore serie kan åbne nogle nye døre ," siger Hammond.

Forskerne håber nu at teste disse mellemstore partikler i større dyremodeller for at få mere information om deres sikkerhed og de mest effektive doser. De håber, at sådanne partikler i sidste ende kunne bruges som en første behandlingslinje for at stoppe blødning fra traumatiske skader længe nok til, at en patient kan nå hospitalet.

"Disse partikler er beregnet til at adressere forebyggelige dødsfald. De er ikke en kur mod indre blødninger, men de er beregnet til at give en person et par ekstra timer, indtil de kan komme til et hospital, hvor de kan modtage passende behandling." siger Hong. + Udforsk yderligere

Forskere udvikler næste generation af kunstige blodplader, der hurtigere kan stoppe blødning fra en skade

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.