Plug and play nanopartikler kunne gøre det lettere at tackle forskellige biologiske mål

Ingeniører ved University of California San Diego har udviklet modulære nanopartikler, der let kan tilpasses til at målrette forskellige biologiske enheder såsom tumorer, vira eller toksiner. Overfladen af ​​nanopartiklerne er konstrueret til at være vært for ethvert biologisk molekyle efter eget valg, hvilket gør det muligt at skræddersy nanopartiklerne til en bred vifte af applikationer, lige fra målrettet lægemiddellevering til neutraliserende biologiske midler.

Skønheden ved denne teknologi ligger i dens enkelhed og effektivitet. I stedet for at fremstille helt nye nanopartikler til hver specifik applikation, kan forskere nu anvende en modulær nanopartikelbase og bekvemt vedhæfte proteiner rettet mod en ønsket biologisk enhed.

Tidligere krævede det at skabe særskilte nanopartikler til forskellige biologiske mål at gennemgå en anden syntetisk proces fra start til slut hver gang. Men med denne nye teknik kan den samme modulære nanopartikelbase let modificeres for at skabe et helt sæt af specialiserede nanopartikler.

"Dette er en plug and play-platformsteknologi, der giver mulighed for hurtig modifikation af en funktionel biologisk nanopartikel," siger Liangfang Zhang, professor i nanoteknik ved UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Zhang og hans team beskriver deres arbejde i et papir med titlen "A modular approach to enhancing cell membrane-coated nanopartikel functionality using genetic engineering," offentliggjort 30. oktober i Nature Nanotechnology .

De modulære nanopartikler består af bionedbrydelige polymerkerner belagt med genetisk modificerede cellemembraner. Nøglen til deres modulære design er et par syntetiske proteiner, kendt som SpyCatcher og SpyTag, der er specielt designet til spontant - og udelukkende - at binde sig til hinanden. Dette par bruges almindeligvis i biologisk forskning til at kombinere forskellige proteiner.

I denne undersøgelse udnyttede Zhang og hans team parret til at skabe et system til let at binde proteiner af interesse til en nanopartikeloverflade.

Sådan virker det:SpyCatcher er indlejret på nanopartikeloverfladen, mens SpyTag er kemisk forbundet med et protein af interesse, såsom et rettet mod tumorer eller vira. Når SpyTag-forbundne proteiner kommer i kontakt med SpyCatcher-dekorerede nanopartikler, binder de sig let til hinanden, hvilket gør det muligt for proteiner af interesse uden besvær at blive knyttet til nanopartikeloverfladen.

For at målrette mod tumorer kan SpyTag for eksempel kobles til et protein designet til at opsøge tumorceller, og det SpyTag-forbundne protein er derefter knyttet til nanopartiklerne. Hvis målet skifter til en specifik virus, er processen ligeledes ligetil:Du skal blot knytte SpyTag til et protein, der er målrettet mod virussen, og vedhæfte det til nanopartikeloverfladen.

"Det er en meget enkel, strømlinet og ligetil tilgang til at funktionalisere nanopartikler til enhver biologisk anvendelse," sagde Zhang.

For at skabe de modulære nanopartikler, gensplejste forskerne først humane embryonale nyre (HEK) 293-celler - en almindeligt anvendt cellelinje i biologisk forskning - til at udtrykke SpyCatcher-proteiner på deres overflade. Cellemembranerne blev derefter isoleret, brækket i mindre stykker og coatet på bionedbrydelige polymer-nanopartikler.

Disse nanopartikler blev efterfølgende blandet med SpyTag-forbundne proteiner. I denne undersøgelse brugte forskerne to forskellige proteiner:det ene målrettet mod epidermal vækstfaktorreceptor (EGFR) og det andet målrettet human epidermal vækstfaktorreceptor 2 (HER2), som begge er fremherskende på overfladen af ​​forskellige cancerceller.

Som et bevis på konceptet testede forskerne disse nanopartikler i mus med ovarietumorer. Nanopartiklerne blev fyldt med docetaxel, en kemoterapimedicin, og administreret til mus via intravenøs injektion hver tredje dag i i alt fire injektioner. Behandling med disse nanopartikler undertrykte tumorvækst, mens overlevelsesraten blev forbedret. Behandlede mus havde median overlevelse på 63 til 71 dage, mens median overlevelse for ubehandlede mus var 24 til 29 dage.

Forskerne søger at forbedre den modulære nanopartikelplatform til målrettet lægemiddellevering.

Ud over kræftbehandling er Zhang begejstret for andre potentielle anvendelser af denne teknologi. "Fordi vi har en modulær nanopartikelbase, kan vi nemt vedhæfte et neutraliserende middel på overfladen for at neutralisere vira og biologiske toksiner," sagde han.

"Der er også potentiale for at skabe vacciner ved at fastgøre et antigen på nanopartikeloverfladen ved hjælp af denne modulære platform. Dette åbner døren til en række nye terapeutiske tilgange."

Flere oplysninger: En modulær tilgang til at forbedre cellemembran-coatede nanopartikelfunktionalitet ved hjælp af genteknologi, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01533-w

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi

Leveret af University of California - San Diego