Konstrueret nanomateriale fanger off-target cancermedicin for at forhindre vævsskade

Standardkemoterapier kan effektivt dræbe kræftceller, men de udgør også betydelige risici for raske celler, hvilket resulterer i sekundær sygdom og en forringet livskvalitet for patienter. For at forhindre den tidligere uundgåelige skade har forskere, ledet af Penn State, udviklet en ny klasse af nanomaterialer, der er udviklet til at fange kemoterapimedicin, før de interagerer med sundt væv.

"For at reducere de off-target-effekter af kræftlægemidler under og efter lokaliseret kemoterapi er det nødvendigt at eliminere deres systemiske cirkulation," sagde hovedforsker Amir Sheikhi, assisterende professor i kemiteknik og biomedicinsk teknik ved Penn State. "Tilgængelige og foreslåede platforme til at fjerne uønskede lægemidler - primært kemoterapi-lægemidlet doxorubicin (DOX) - fra blod er yderst ineffektive, idet de ikke kan fjerne nok af lægemidlet til at forhindre skade. Vi har udviklet en yderst effektiv tilgang, der fanger DOX med en kapacitet mere end 3.200 % højere end andre platforme, såsom DNA-baserede materialer."

Metoden er nu tilgængelig online forud for marts-udgaven af ​​Materials Today Chemistry , er baseret på behårede cellulosenanokrystaller - nanopartikler udviklet fra hovedkomponenten af ​​plantecellevægge og konstrueret til at have et enormt antal polymerkæde-"hår", der strækker sig fra hver ende. Disse hår øger den potentielle lægemiddelindfangningskapacitet af nanokrystallerne betydeligt ud over konventionelle nanopartikler og ionbytterharpikser, ifølge Sheikhi.

"Så vidt vi ved, er der i øjeblikket ikke noget nanopartikel-baseret superkapacitets-lægemiddelindfangningssystem," sagde Sheikhi og bemærkede, at udviklingen af ​​et sådant system kunne have betydelig indflydelse på kræftbehandlingsplaner. "For nogle organer, såsom leveren, kan kemoterapi administreres lokalt gennem katetre. Hvis vi kunne placere en enhed baseret på nanokrystallerne til at fange de overskydende lægemidler, der forlader leverens inferior vena cava, et stort blodkar, kunne klinikere potentielt administrere højere doser kemoterapi for at dræbe kræften hurtigere uden at bekymre dig om at beskadige raske celler. Når behandlingen er afsluttet, kan enheden fjernes."

For at producere de behårede cellulosenanokrystaller, der er i stand til at opfange kemoterapi-lægemidler, behandlede forskerne cellulosefibre, der findes i nåletræsmasse, og gav hårene en negativ ladning, hvilket gjorde dem stabile mod blodets ioniske sammensætning. Ifølge Sheikhi korrigerer dette en fejl ved konventionelle nanopartikler, hvis ladning kan gøres inert eller reduceres, når de udsættes for blod, hvilket begrænser antallet af positivt ladede lægemiddelmolekyler, som det kan binde til ubetydelige antal.

Nanokrystallernes bindingseffektivitet blev testet i humant serum, den proteinrige del af blod, der ikke indeholder røde eller hvide blodlegemer eller blodplader. For hvert gram behårede cellulosenanokrystaller blev mere end 6.000 milligram DOX effektivt fjernet fra serumet.

"De behårede nanokrystaller tillod os at skubbe grænsen med mindst to til tre størrelsesordener sammenlignet med nogle andre tilgængelige platforme," sagde Sheikhi.

Forskerne fandt også ud af, at nanokrystallerne ikke havde nogen skadelig effekt på røde blodlegemer i fuldblod eller på cellevækst i menneskelige navlevene-endotelceller.

"Vi fandt ud af, at de behårede cellulosenanokrystaller binder sig til positivt ladede lægemidler i humant serum og fanger DOX med det samme, og de gør det uden at pålægge nogen cytotoksicitet eller hæmolytiske virkninger," sagde Sheikhi. "Vi forestiller os, at denne effektive, ikke-toksiske nanopartikel kan være en byggesten for den næste generation af enheder til at fange overskydende medicin og fjerne uønskede molekyler fra kroppen, såsom psykedeliske stoffer og toksiner."

Ifølge Sheikhi har brugen af ​​behårede cellulosenanokrystaller vidtrækkende konsekvenser ud over kroppen. Hans team konstruerede for nylig nanokrystaller, der er i stand til selektivt at binde sig til neodym, et sjældent jordelement, for at redde værdifuldt materiale fra elektronisk affald.

"Vi er glade for at introducere et nyt materiale med så høj en kapacitet til at adskille en række elementer, som forhåbentlig vil åbne nye muligheder for en bred vifte af applikationer," sagde Sheikhi.

Sheikhi startede dette arbejde som postdoktor ved University of California, Los Angeles, i laboratoriet hos Ali Khademhosseini, nu administrerende direktør for Terasaki Institute for Biomedical Innovation. Andre Penn State bidragydere omfatter Joy Muthami og Patricia Wamea, begge nyuddannede kandidater i kemiteknik; og Mica Pitcher, doktorand i kemi. UCLA-bidragydere inkluderer Sarah A.E. Young, Peter Antovski, Robert Denis Murphy, Andrew Schmidt, Samuel Clark og for en del af forskningen Reihaneh Haghniaz. Haghniaz er nu tilknyttet Terasaki Institute for Biomedical Innovation. + Udforsk yderligere

Bjærgning af sjældne jordarter fra elektronisk affald