(Phys.org) -- Naarmate het gebied van nanogeneeskunde volwassen wordt, een nieuw twistpunt was de vorm die nanodeeltjes zouden moeten hebben om hun medicijn- of DNA-ladingen het meest effectief af te leveren.

Een paar nieuwe artikelen van wetenschappers van The Methodist Hospital Research Institute (TMHRI) en zes andere instellingen suggereren dat deze microscopisch kleine werkpaarden schijfvormig zouden moeten zijn, niet bolvormig of staafvormig, bij het richten op kankers bij of nabij bloedvaten.

"De overgrote meerderheid -- misschien 99 procent -- van het werk dat nu wordt gedaan, maakt gebruik van nanodeeltjes die bolvormig zijn, " zei TMHRI biomedisch ingenieur Paolo Decuzzi, doctoraat, hoofdonderzoeker voor beide projecten. "Maar er zijn aanwijzingen dat er misschien betere manieren zijn om chemotherapiemedicijnen op de plaats van een vasculariserende kanker te krijgen."

Ondanks hun populariteit, er zijn problemen met bolvormige nanodeeltjes. Ze zijn klein, en kunnen niet veel medicijnen afleveren als ze eindelijk hun doelen bereiken. En ze worden ook sneller stroomafwaarts geduwd door de krachtige bloedstroom.

"Het kleine oppervlak dat door sferische nanodeeltjes wordt blootgesteld aan de bloedvatwanden - theoretisch een enkel punt - in het tumorweefsel kan geen stabiele, stevige hechting en zijn gemakkelijk weg te wassen. En dit belemmert hun effectieve accumulatie in het zieke weefsel, "Zei Decuzzi. "Dus een aantal laboratoria hebben gevraagd, hoe kunnen we de accumulatie van nanodeeltjes in de zieke weefsels maximaliseren? Is er een betere vorm?"

In de biomaterialen van augustus 2012 (Elsevier, nu online), Decuzzi en coauteurs laten zien dat op verschillende, biologisch relevante stroomsnelheden, schijfvormige nanodeeltjes werden minder snel van hun doelwit geduwd dan staafvormige nanodeeltjes - een andere vorm die eerder werd voorgesteld als een alternatief voor bollen. De ideale maat was 1, 000 bij 400 nanometer (diameter per dikte). De experimenten werden in vitro uitgevoerd en bevestigd door computationele modellering.

Sferische nanodeeltjes zijn gebouwd rond de nuttige lading van het medicijn in een gratis, driedimensionale mode door zelfassemblage. Het deeltje groeit gelijkmatig in alle richtingen, het vormen van een bolvormig - of bijna bolvormig - nanodeeltje.

De Methodist nanomedicine groep, onder leiding van TMHRI President en CEO Mauro Ferrari, doctoraat, heeft een heel andere techniek ontwikkeld. Schijfvormige nanodeeltjes worden gemaakt met fotolithografische technologie, dezelfde tools die worden gebruikt om de kleinste componenten in computers te maken. Fotolithografie stelt Ferrari in staat, Decuzzi, en collega's om de grootte te specificeren, vorm en oppervlakte-eigenschappen van de nanodeeltjes met grote nauwkeurigheid. De nanodeeltjes zijn gebouwd met sponsachtige gaten er doorheen, dat is waar de drugs worden geladen.

"We kunnen de grootte veranderen, vorm, en oppervlakte-eigenschappen -- '3S' parameters -- van de deeltjes onafhankelijk, "Zei Decuzzi. "Het is een zeer krachtige techniek."

De nanodeeltjes zijn gemaakt van silicium, en biologisch relevante moleculen worden later aan de buitenkant gehecht om de binding aan doelcellen te verbeteren en de vernietiging door het immuunsysteem te vertragen. Silicium heeft een extreem laag toxiciteitsprofiel bij de doses die typisch worden gebruikt in mensen en diermodellen. Decuzzi zei dat silicium nanodeeltjes gemakkelijk worden afgebroken en binnen 24 tot 48 uur uit het lichaam worden verwijderd.

Het tweede artikel gepubliceerd door Decuzzi en collega's, in de februari 2012 Tijdschrift voor gecontroleerde afgifte (ook Elsevier), gebruikte muismodellen om aan te tonen dat 1, 000 bij 400 nm schijfvormige nanodeeltjes binden gemakkelijk aan en nabij melanoomcellen, bij 5 tot 10 procent van de geïnjecteerde dosis per gram orgaan - concentraties die concurrerend zijn met of beter zijn dan eerder gerapporteerd voor sferoïde nanodeeltjes. De onderzoekers toonden ook aan dat schijven van 1000 bij 400 nm het minst waarschijnlijk waren (dan kleinere of grotere schijven, of staafjes) om in de lever terecht te komen.

"Deze twee papers zijn het hoogtepunt van acht jaar werk, kijkend naar de eigenschappen van schijf-, hengel-, en sferische nanodeeltjes in computersimulaties, in vitro, en dan in vivo, " zei Decuzzi. "Wat het meest de moeite waard is geweest, is dat alle belangrijke dingen die we met wiskundige modellen voorspelden, waar bleken te zijn in experimenten in het echte leven. We komen dicht bij het beantwoorden van cruciale vragen over hoe deze nanodeeltjes eruit moeten zien."

Decuzzi zegt dat zijn groep zal blijven werken aan de optimalisatie van nanodeeltjes en, vooral, zal kijken naar wat hij het "4S"-probleem noemt. Na het bepalen van de juiste maat, vorm, en oppervlaktechemie, Decuzzi zegt dat hij wil zien of de juiste hoeveelheid stijfheid, of flexibiliteit, kan de in vivo prestaties van nanodeeltjes verder verbeteren.