(Phys.org) —In de afgelopen jaren hebben veel populaire kankerbehandelingen gebruiken nano, dat is, kleine deeltjes polymeren of op koolstof gebaseerde materialen om chemotherapiemedicijnen naar tumoren te transporteren op een manier die specifiek gericht is op kankercellen, terwijl normale cellen gespaard blijven. Maar deze benadering heeft verschillende problemen.

Onder andere, het is moeilijk om de hoeveelheid medicijn die in de drager wordt geladen te regelen, en, in feite, maar al te vaak is er veel meer "drager" materiaal dan drug. Als resultaat, de hoeveelheid geneesmiddel varieert vaak van deeltje tot deeltje, wat betekent dat de toegediende dosis chemotherapie inconsistent of ongelijkmatig kan zijn. Ook, het synthetische materiaal dat het medicijn omhult en aflevert, kan zelf giftig zijn, ongewenste bijwerkingen veroorzaken.

Het ideale scenario zou zijn om een ​​manier te vinden om kankermedicijnen om te zetten in hun eigen toedieningssystemen, en de synthetische voertuigen helemaal te elimineren.

Honggang Cui, assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering aan de Johns Hopkins University probeert precies dat te doen door de medicijnmoleculen zo te transformeren dat ze hun eigen dragers kunnen worden, een proces dat bekend staat als zelfassemblage.

"We willen het middel tegen kanker gebruiken om zelf nanodeeltjes te maken, " zegt Cui, ook een aangesloten faculteitslid van het Johns Hopkins Institute for NanoBioTechnology. "De uitdaging is:hoe doen we dat?"

De door de National Science Foundation (NSF) gefinancierde wetenschapper en zijn onderzoeksteam gebruiken nieuwe moleculaire engineeringtechnieken waarvan ze hopen dat ze de medicijnmoleculen ertoe zullen aanzetten zichzelf te organiseren in discrete en geïsoleerde nanostructuren, in plaats van in hun huidige "bulk"-vorm te blijven.

Als hij succes heeft, het werk zou mogelijk kankerchemotherapie kunnen verbeteren door de doeltreffendheid van de behandeling te vergroten, en het verminderen van de nadelige bijwerkingen.

Momenteel, "in één deeltje heb je misschien 2 procent medicijnlading, en in een ander, misschien 10 procent, en in een ander, niets, helemaal geen medicijnen, " zegt hij. Als de medicijnen zichzelf transporteren "zal de klinische uitkomst helpen, Cui voegt eraan toe. "Je krijgt niet te veel of te weinig van een medicijn. Je krijgt de juiste dosis."

Om van deze medicijnen hun eigen toedieningssystemen op nanoschaal te maken, ze moeten amfifiel worden, wat betekent dat ze eigenschappen moeten hebben die zowel van als niet van water houden.

"Het segment dat niet van water houdt, zal de moleculen ertoe aanzetten om samen te komen om een ​​moleculaire cluster te vormen, of een nanostructuur, op een manier om hun contact met watermoleculen te minimaliseren, terwijl het waterachtige segment de nanostructuur oplosbaar houdt in een waterige oplossing en voorkomt dat ze uitgroeien tot grotere objecten, ' legt Cui uit.

Er zijn maar weinig medicijnen die deze dualiteit hebben als het om water gaat. "De meeste zijn erg hydrofoob; ze zijn slecht oplosbaar in water, " hij zegt.

Om waterhatende medicijnen te maken die ook van water kunnen houden, de onderzoekers experimenteren met wateroplosbare peptiden, dat zijn verbindingen die uit twee of meer aminozuren bestaan, proberen ze in de medicijnen op te nemen via biologisch afbreekbare linkers, dat is, chemische bindingen die fungeren als een brug tussen het waterminnende peptide en het waterhatende medicijn.

Wanneer het werkt, "het medicijn kan zichzelf in elkaar zetten, " zegt hij. "Wanneer het medicijn het vermogen krijgt om zichzelf te assembleren, we willen spelen met de peptidesequentie om controle te krijgen over de grootte ervan, vorm en oppervlaktechemie.

"Het peptide voegt niet alleen het waterminnende segment toe voor zelfassemblage, maar ook nieuwe functies die een effectieve regeling van hun montage in verschillende maten en vormen mogelijk maken, " voegt hij eraan toe. "Ze kunnen bioactief zijn, en presenteren signalen voor specifieke tumortargeting."

De hoop is om geneesmiddelen tegen kanker te produceren die supramoleculaire nanostructuren zijn, of deeltjes die uit meer dan één molecuul bestaan, die "een hoge medicijnbelading en een vaste medicijnbelading hebben, ' zegt Cui.

"De lading binnen de nanostructuur wordt bepaald door het moleculaire ontwerp, " hij voegt eraan toe "Als de medicijnfractie in het ontworpen molecuul 10 procent is, de nanostructuur zal ook 10 procent medicijnbelading hebben. Daarom, door middel van moleculair ontwerp, men kan de medicijnbelading in de nanostructuur nauwkeurig afstemmen."

Cui voert zijn onderzoek vanaf dit jaar uit in het kader van een NSF Faculty Early Career Development (CAREER) prijs. De prijs ondersteunt junior faculteiten die de rol van leraar-geleerden illustreren door middel van uitstekend onderzoek, excellent onderwijs en de integratie van onderwijs en onderzoek in het kader van de missie van hun organisatie. NSF financiert zijn werk met ongeveer $ 500, 000 over vijf jaar.

Cui en zijn team publiceerden onlangs de resultaten van hun werk in de Tijdschrift van de American Chemical Society demonstreren van het principe van de constructie van zelfleverende supramoleculaire geneesmiddelen tegen kanker. Hun werk produceerde nanovezels en nanobuisjes gevormd door zelfassemblage van peptide-antikankerconjugaten.

Als onderdeel van het onderwijsbereik van de subsidie, Cui is van plan om lokale middelbare scholieren en middelbare scholieren uit te nodigen om tijd door te brengen in zijn lab.

"Drugslevering is inherent een multidisciplinair veld dat enorme kansen biedt voor onderwijs op alle niveaus, " zegt hij. "We willen vooral leerlingen van openbare scholen in de binnenstad betrekken bij het afleveren van medicijnen, en de beste manieren om de behandeling van kanker te verbeteren."

Hoewel zijn ideeën nog ver verwijderd zijn van klinisch gebruik, Cui gelooft dat het uiteindelijk mogelijk zal zijn om medicijnen om te zetten in moleculaire bouwstenen die zullen fungeren als hun eigen toedieningssystemen.

"Ik zie geen enkele reden waarom deze zelfleverende medicijnen niet kunnen worden vertaald naar klinische situaties als we eenmaal manieren hebben gevonden om hun zelf-assemblagegedrag te manipuleren, " hij zegt.