Forsker udvikler blødt materiale til at bevare biologisk medicin

Efterhånden som superbugs bliver mere og mere farlige for menneskers sundhed, har forskere i NC State udviklet et blødt materiale, der bevarer medicin, der er i stand til at behandle infektioner uden risiko for antimikrobiel resistens.

Sammen med sin kollega Christopher Gorman fra Institut for Kemi og de studerende Ryan Smith og Juliana O'Brien, udviklede Stefano Menegatti, en universitetsfakultetsstipendiat og en lektor i kemi- og biomolekylær ingeniørvidenskab, nye dendrimerer - højt strukturerede makromolekyler - der fungerer som en lim omkring nanopartikelskabeloner. Sådanne skabeloner omfatter bakteriofager, som er vira, der kan inficere og angribe skadelige bakterier i kroppen. Selvom de kan være et alternativ til traditionelle antibiotika, kan de være svære at formulere og stabilisere som medicin. For at forblive sikre og effektive skal terapeutiske bakteriofager beskyttes mod miljøændringer.

Menegatti og hans team fandt ud af, at dendrimerer kombineret med korte kæder af aminosyrer eller peptider kan omgive nanopartikler og holde dem stabile under en række forskellige forhold. Deres hold kalder disse dendrimere DendriPeps. Da nanopartikler er suspenderet i vand, holder disse opløselige DendriPeps dem i et lukket, stabilt system.

"Disse dendrimerbelægninger opretholder vandindholdet inde i en virus, mens de fungerer som en protonsvamp, der beskytter virussen mod salt- eller pH-ændringer," sagde Menegatti. "Det er en blød, men uigennemtrængelig barriere. Den opretholder et godt miljø for virussen."

Når først DendriPeps har coatet nanopartikler, udløser lokaliseret forskydning deres frigivelse og deres terapeutiske aktivitet. Bløde materialer kan designes til at reagere fysisk og kemisk på stimuli som temperatur, tryk og fugt. Forskydning er en ideel stimulans til medicinafgivelsesapplikationer, fordi den er næsten allestedsnærværende i hele kroppen. Øjenlåg forårsager forskydning, når de blinker; affald skærer tarmvæggen under fordøjelsen; forskydning opstår, når man gnider noget på huden. Dette giver DendriPeps mulighed for at behandle lokale infektioner.

"Skæring er ofte en glemt stimulus," sagde Menegatti. "Med denne opfindelse ønskede vi at udfylde det hul, og Dendripeps tilbød en fantastisk mulighed for at gøre det."

When a cluster of DendriPep-coated nanoparticles is sheared, it degranulates, releasing the single particles. These particles can in turn release a therapeutic payload, or, like the bacteriophages, infect and kill dangerous bacteria. When therapeutic action is not needed, shear is removed and the particles are recoated with DendriPeps and recluster. This stops the payload release.

This formulation can protect bacteriophages. This offers a way of replacing antibiotics in some critical applications:The widespread use of antibiotics has developed superbugs—bacteria that are resistant to standard doses of antibiotics. The research team is also developing more DendriPep-based nanomedicines to deliver new drugs like viral vectors in gene therapy.

In the past few years, Menegatti has been honored as a Goodnight Early Career Innovator and an NC State Faculty Scholar. He has also received an ALCOA Foundation Research Achievement Award, a Chancellor's Innovation Fund grant, and an NSF Early Career award. Currently, his research has shifted toward gene therapy manufacturing technology and creating more efficient production processes. It's in a similar vein to his dendrimer research:He's seeking ways to overcome natural and systematic hurdles in biomedicine. His goal is to improve manufacturing of and access to better medicine.

"DendiPeps could be the missing link in material sciences to make therapeutic viruses the center of the next-generation antimicrobials and drugs," Menegatti said. + Udforsk yderligere

Bacterial viruses:Faithful allies against antibiotic resistance