UCLA-chemicus Heather Maynard moest zich afvragen:hoe doen organismen zoals de tardigrade het?

Dit gedrongen microscopisch kleine dier, ook wel waterbeer genoemd, kan overleven in omgevingen waar overleven onmogelijk lijkt. Het is aangetoond dat Tardigrades extreme hitte, kou en druk doorstaan ​​- en zelfs het vacuüm van de ruimte - door een toestand van schijndood in te gaan en, soms decennia later, te revitaliseren onder meer gastvrije omstandigheden.

Als ze het mechanisme achter deze buitengewone bewaring zou begrijpen, dacht Maynard, zou ze de kennis misschien kunnen gebruiken om medicijnen te verbeteren, zodat ze langer krachtig blijven en minder kwetsbaar zijn voor typische milieu-uitdagingen, wat uiteindelijk de toegang verruimt en de menselijke gezondheid ten goede komt.

Het blijkt dat een van de processen die tardigrades beschermen, wordt gestimuleerd door een suikermolecuul genaamd trehalose, dat vaak wordt aangetroffen in levende wezens, van planten tot microben tot insecten, waarvan sommige het als bloedsuikerspiegel gebruiken. Voor een paar selecte organismen, zoals de waterbeer en de stekelige wederopstandingsplant, die kunnen herleven na jaren van bijna nul metabolisme en volledige uitdroging, is de stabiliserende kracht van trehalose het geheim van hun onaardse standvastigheid.

Gewapend met dit inzicht vond Maynard, een professor in scheikunde en biochemie die de Dr. Myung Ki Hong-leerstoel van de UCLA in Polymer Science bekleedt, een polymeer uit op basis van suiker. Haar polymeer, genaamd poly(trehalosemethacrylaat), of pTrMA, lijkt de natuur te verbeteren in zijn vermogen om medicijnen robuuster te maken tegen de tand des tijds en temperatuur.

"We dachten dat als trehalose hele organismen zou kunnen stabiliseren, het een redelijk goede stabilisator is", zegt Maynard, die ook de associate director van technologie en ontwikkeling is bij het California NanoSystems Institute aan de UCLA. "Dat ons polymeer beter presteerde dan trehalose werd echter niet verwacht."

Met steun en begeleiding van het UCLA Innovation Fund, een programma dat is ontworpen om de commercialisering van therapieën die eigendom zijn van de UCLA en andere gezondheidsgerelateerde technologieën te vergemakkelijken, hebben Maynard en haar team ervoor gekozen om de effecten van pTrMA op insuline te onderzoeken, een "essentieel medicijn" van de Wereldgezondheidsorganisatie dat veel mensen met diabetes injecteren dagelijks om de ziekte te beheersen.

Wanneer insuline-eiwitten worden blootgesteld aan hitte of te veel worden geschud, kunnen ze klonteren op een manier die naalden doet kauwgom doen, het geneesmiddel minder effectief maken of zelfs een schadelijke reactie van de natuurlijke afweer van het lichaam veroorzaken. Als gevolg hiervan moet insuline voorzichtig worden behandeld en in gekoelde compartimenten worden vervoerd.

Dienovereenkomstig zou insuline die langer stabiel blijft zonder koeling de kosten van het medicijn kunnen verlagen door de logistiek goedkoper te maken. En een langere houdbaarheid zou bezuinigen op zowel verspilde medicijnen als potentieel gevaarlijke situaties waarin verlopen insuline een ontoereikende dosis afgeeft. Meer nog, insuline zou toegankelijk kunnen worden voor sommige afgelegen locaties die momenteel niet bereikbaar zijn voor gekoeld transport.

Een reeks onderzoeken onder leiding van Maynard in de afgelopen drie jaar heeft het potentieel van pTrMA aangetoond. Een recente studie gepubliceerd in ACS Applied Materials &Interfaces ontdekte dat het polymeer insuline bewaarde bij temperaturen van bijna 200 graden Fahrenheit - dicht bij het kookpunt van water - en gedurende bijna een jaar gekoelde opslag, waarbij 87% van de medicatie intact bleef, vergeleken met minder dan 8% van insuline alleen. Laboratoriumexperimenten naar de veiligheid van pTrMA toonden aan dat het geen immuunrespons opwekte bij muizen.

Een studie uit 2021, ook ondersteund door het Innovatiefonds, toonde aan dat insuline plus pTrMA een voldoende lage viscositeit heeft om veilig te worden geïnjecteerd, en onderzoek uit 2020 toonde aan dat een versie van pTrMA die is ontworpen om in het lichaam af te breken, het vermogen behield om insuline te stabiliseren.

Een vroege bevinding, uit 2014, dat pTrMA eigenlijk beter werkt dan trehalose als conserveermiddel, was niet de enige aangename verrassing. Het team van Maynard ontwerpt polymeren meestal om chemisch te worden gekoppeld aan medicijnmoleculen, maar in het geval van pTrMA ontdekten ze dat het even effectief is vermengd met insulinemoleculen zonder chemische verbindingen.

Maynard vermoedt dat het polymeer potentieel heeft voor breder gebruik.

"Trehalose-polymeren stabiliseren een breed scala aan eiwitten en enzymen", zei ze. "Vaccins zijn een mogelijkheid, en we denken dat de polymeren een platformtechnologie kunnen zijn die wordt toegepast op een reeks verschillende biologisch gebaseerde medicijnen."

Flexibele middelen van het Innovatiefonds hebben Maynard de vrijheid gegeven om de meest relevante vragen in haar studie na te streven. Dat voordeel werkte uiteindelijk samen met een ander:introducties aan experts uit de farmaceutische industrie door UCLA's Technology Development Group.

Een van die experts adviseerde Maynard om de werking van het pTrMA in het lichaam te onderzoeken. In haar recente ACS Applied Materials &Interfaces publicatie over pTrMA, vonden Maynard en haar team geen significant verschil in bloedplasmaconcentraties in de tijd tussen insuline alleen en het geneesmiddel geformuleerd met pTrMA.

"Het is niet altijd gemakkelijk om financiering te vinden voor sommige van de systematische onderzoeken die we hebben uitgevoerd," zei Maynard. "Het UCLA Innovation Fund versnelde het onderzoek en gaf ons de mogelijkheid om te draaien."

Als Maynard's polymeer blijvend succes vindt als een veilige stabilisator, zouden medicijnen van levensreddende tot alledaagse dingen goedkoper en op meer plaatsen beschikbaar kunnen worden. En ze zal er nog een paar te danken hebben:Moeder Natuur en de bijna onverwoestbare waterbeer.