Onderzoekers van de Johns Hopkins University hebben biologisch afbreekbare nanodeeltjes gemaakt die gemakkelijk door de kleverige en stroperige slijmafscheidingen van het lichaam kunnen glippen om een ​​medicijnlading met aanhoudende afgifte af te geven.

De onderzoekers zeggen dat deze nanodeeltjes, die na verloop van tijd worden afgebroken tot onschadelijke componenten, zou op een dag levensreddende medicijnen kunnen vervoeren naar patiënten die lijden aan tientallen gezondheidsproblemen, waaronder ziekten van het oog, long, darm of vrouwelijk voortplantingsstelsel.

De slijmdoordringende biologisch afbreekbare nanodeeltjes zijn ontwikkeld door een interdisciplinair team onder leiding van Justin Hanes, een professor in chemische en biomoleculaire engineering aan de Whiting School of Engineering aan de Johns Hopkins. Het werk van het team werd onlangs gerapporteerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Hanes' medewerkers waren onder meer cystic fibrosis-expert Pamela Zeitlin, een professor in kindergeneeskunde aan de Johns Hopkins School of Medicine en directeur van kinderpulmonale geneeskunde aan het Johns Hopkins Children's Center.

Deze nanodeeltjes, Zeitlin zei, zou een ideaal middel kunnen zijn om medicijnen te leveren aan mensen met cystische fibrose, een ziekte die kinderen en volwassenen doodt door de slijmbarrières in de longen en darmen te veranderen.

"Cystic fibrosis-slijm is notoir dik en plakkerig en vormt een enorme barrière voor de toediening van geneesmiddelen in aerosolvorm, ' zei ze. 'In onze studeerkamer, de nanodeeltjes zijn ontworpen om met een veel grotere snelheid dan ooit tevoren door mucus van cystische fibrose te reizen, waardoor de medicijnafgifte wordt verbeterd. Dit werk is van cruciaal belang om vooruit te komen met de volgende generatie op kleine moleculen en genen gebaseerde therapieën."

Naast hun potentiële toepassingen voor patiënten met cystische fibrose, de nanodeeltjes kunnen ook worden gebruikt om aandoeningen zoals long- en baarmoederhalskanker te helpen behandelen, en ontsteking van de sinussen, ogen, longen en maagdarmkanaal, zei Benjamin C. Tang, hoofdauteur van het recente tijdschriftartikel en een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering.

"Chemotherapie wordt meestal aan het hele lichaam gegeven en heeft veel ongewenste bijwerkingen, " zei hij. "Als medicijnen zijn ingekapseld in deze nanodeeltjes en direct worden ingeademd in de longen van longkankerpatiënten, medicijnen kunnen longtumoren effectiever bereiken, en betere resultaten kunnen worden bereikt, vooral voor patiënten met de diagnose niet-kleincellige longkanker in een vroeg stadium."

In de longen, ogen, maagdarmkanaal en andere gebieden, het menselijk lichaam produceert lagen slijm om gevoelig weefsel te beschermen. Maar een ongewenste bijwerking is dat deze slijmbarrières ook nuttige medicijnen op afstand kunnen houden.

In proof-of-concept-experimenten, eerdere onderzoeksteams onder leiding van Hanes hebben eerder aangetoond dat latexdeeltjes die zijn gecoat met polyethyleenglycol langs slijmlagen kunnen glijden. Maar latexdeeltjes zijn geen praktisch materiaal voor het afleveren van medicijnen aan menselijke patiënten omdat ze niet door het lichaam worden afgebroken. In de nieuwe studie de onderzoekers beschreven hoe ze een belangrijke stap voorwaarts zetten in het maken van nieuwe deeltjes die biologisch afbreekbaar zijn tot onschadelijke componenten, terwijl ze hun medicijnlading in de loop van de tijd afleveren.

"De belangrijkste vooruitgang hier is dat we biologisch afbreekbare nanodeeltjes konden maken die snel dikke en plakkerige slijmafscheidingen kunnen binnendringen, en dat deze deeltjes een breed scala aan therapeutische moleculen kunnen transporteren, van kleine moleculen zoals chemotherapeutica en steroïden tot macromoleculen zoals eiwitten en nucleïnezuren, "Zei Hanes. "Vroeger, we konden dit soort behandelingen met aanhoudende afgifte niet effectief door de plakkerige slijmlagen van het lichaam krijgen."

De nieuwe biologisch afbreekbare deeltjes bestaan ​​uit twee delen gemaakt van moleculen die routinematig worden gebruikt in bestaande medicijnen. Een innerlijke kern, grotendeels samengesteld uit polysebacinezuur (PSA), houdt therapeutische middelen vast. Een bijzonder dichte buitenlaag van polyethyleenglycol (PEG) moleculen, die zijn gekoppeld aan PSA, zorgt ervoor dat een deeltje bijna net zo gemakkelijk door slijm kan bewegen alsof het door water zou bewegen en laat het medicijn ook toe om gedurende een langere tijd in contact te blijven met aangetaste weefsels.

In eerdere studies van Hanes met slijmdoordringende deeltjes, latexdeeltjes konden effectief worden gecoat met PEG, maar konden geen medicijnen afgeven of biologisch afbreken. In tegenstelling tot latex, echter, PSA kan worden afgebroken tot van nature voorkomende moleculen die door het lichaam worden afgebroken en via de nieren worden weggespoeld, bijvoorbeeld. Terwijl de deeltjes uiteenvallen, de medicijnen die erin zijn geladen, worden vrijgegeven.

Deze eigenschap van PSA maakt de aanhoudende afgifte van medicijnen mogelijk, zei Samuël Lai, assistent-onderzoeksprofessor bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering, terwijl ze ontworpen zijn voor slijmpenetratie, kunnen ze gemakkelijker ontoegankelijke weefsels bereiken.

Jie Fu, een assistent-onderzoeksprofessor, ook van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering, zei, "Als het degradeert, de PSA komt samen met het medicijn vrij gedurende een gecontroleerde hoeveelheid tijd die dagen tot weken kan bedragen."

Polyethyleenglycol fungeert als een schild om de deeltjes te beschermen tegen interactie met eiwitten in het slijm, waardoor ze zouden worden verwijderd voordat hun inhoud vrijkomt. In een gerelateerd onderzoeksrapport, de groep toonde aan dat de deeltjes verschillende chemotherapeutica efficiënt kunnen inkapselen, en dat een enkele dosis met geneesmiddel beladen deeltjes de tumorgroei in een muismodel van longkanker tot 20 dagen kon beperken.