Forskere lærer af larver, hvordan man skaber selvsamlende kapsler til medicinafgivelse

Selvsamlende molekyler, der spontant organiserer sig selv til at danne komplekse strukturer, er almindelige i naturen. For eksempel er det hårde ydre lag af insekter, kaldet neglebåndet, rig på proteiner, der kan samle sig selv.

Selvmontering er en omkostningseffektiv, miljømæssigt bæredygtig og hurtig måde at fremstille nanostrukturer med kritiske applikationer i forskellige industrier, lige fra terapeutiske midler til selvreplikerende maskiner.

Ved at udnytte de selvsamlende evner af proteiner fra neglebåndene på asiatiske majsbore-møllarver (Ostrinia furnacalis) har forskere fra Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) skabt kapsler i nanostørrelse, der kan bruges til at levere lægemidler og messenger-RNA (mRNA). mRNA er et molekyle, der instruerer celler til at producere proteiner og er blevet brugt i COVID-19-vacciner.

Findes i regioner fra Kina til Australien, den asiatiske majsborermøl er et landbrugsskadedyr, der ødelægger majsafgrøder, hvor larverne forårsager skaden. Larvens kutikula beskytter den og giver den unikke mekaniske egenskaber.

Forskerne analyserede proteinerne i neglebåndet fra hovederne af asiatiske majsborelarver for at identificere kæder af aminosyrer, kendt som peptider, som uafhængigt kunne samles til ordnede strukturer.

De screenede proteinerne for peptider, der indeholdt den samme sekvens af aminosyrer, gentaget tre eller flere gange, hvor hver sekvens bestod af mindst fem aminosyrer. På grund af interaktionerne mellem de gentagne aminosyrer vil peptider med denne egenskab sandsynligvis gennemgå selvsamling.

Forskerne identificerede tre peptider, der kunne samle sig selv og danne hule nanokapsler ud fra deres analyse.

Forskningen blev ledet af professor Yu Jing fra NTU's School of Materials Science and Engineering, tidligere NTU Distinguished University Professor Gao Huajian (nu Xinghua University Professor ved Tsinghua University), Prof Liu Tian fra Dalian University of Technology og Prof Yang Qing fra Chinese Academy of Agricultural Sciences.

Forskerne ansøger om patent på deres innovation baseret på deres undersøgelsesresultater rapporteret i Nature Nanotechnology i april 2024.

Sammenlignet med konventionelle lægemiddelleveringsmetoder er nanokapslerne ikke giftige og kan effektivt levere forskellige lægemidler med forskellige egenskaber.

Selvsamlende nanokapsler inspireret af naturen

Selvsamlingsprocessen er drevet af forskelle i kemiske koncentrationer, som får peptiderne til at samles som legoklodser og danner stabile strukturer.

Forskerne skabte syntetiske versioner af de naturlige selvsamlende peptider, der findes i larverne og opløste hvert peptid i vand. De tilføjede derefter det organiske opløsningsmiddel acetone til peptidopløsningerne for at starte selvsamling.

Forskerne opdagede, at selvsamling af peptiderne foregår i to trin. Først dannede peptidopløsningen dråber umiddelbart efter tilsætning af acetone. Dernæst skaber diffusionen af ​​acetone ind i dråberne og vand ud af dråberne en koncentrationsgradient ved grænsefladen af ​​dråberne, der udløser peptiderne til at samle sig i arklignende strukturer kaldet beta-ark, og til sidst danner sfæriske hule nanokapsler. Hele processen finder sted inden for 10 minutter efter den første blanding.

Forskerne kunne også finjustere nanokapslernes størrelse ved at justere forholdet mellem peptider og isophorondiisocyanat. Denne forbindelse forbinder peptiderne sammen for at stabilisere nanokapslerne.

"Så vidt vi ved, er dette første gang, at peptid-nanokapsler er blevet skabt uden skabeloner, hvilket baner vejen for et brugerdefineret lægemiddelleveringssystem," sagde professor Yu.

"Vores peptid-nanokapsler åbner døren til forskellige potentielle biomedicinske anvendelser, såsom lægemiddellevering og genterapi."

Et alsidigt lægemiddelleveringssystem

Forskerne viste, at nanokapslerne kunne bruges til at fange og levere "last" såsom kemoterapimedicin og antistoffer. Ved at modificere peptidkæderne kunne de også bruge nanokapslerne til at levere mRNA.

Nanokapslerne, der indeholdt lægemidler og mRNA, var ikke toksiske og blev med succes optaget af en række forskellige celler.

"Ved at forstå adfærden af ​​selvsamlende peptider i naturen, kan vi konstruere dem til at levere en bred vifte af lægemidler og terapeutiske forbindelser," siger Dr. Li Haopeng, en forsker fra NTU's School of Materials Science and Engineering og førsteforfatter til undersøgelsen.

"Vi afslører ikke bare hemmelighederne ved selvsamling, men omsætter dem også til løsninger i den virkelige verden, der kan gavne vores liv," siger Dr. Qian Xuliang, en forsker fra NTU's School of Mechanical and Aerospace Engineering og medførsteforfatter. af undersøgelsen.

I det næste trin vil forskerne udforske brugen af ​​kunstig intelligens-teknologier såsom maskinlæring til automatisk at identificere andre naturlige selvsamlende peptider.

Flere oplysninger: Haopeng Li et al., Selvsamling af peptidnanokapsler ved hjælp af en opløsningsmiddelkoncentrationsgradient, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01654-w

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi

Leveret af Nanyang Technological University