(Phys.org) — Een team van scheikundigen en bio-ingenieurs van Penn State University en Boston University heeft een nieuwe methode bedacht voor het vinden en afleveren van genezende medicijnen aan nieuw gevormde microscheurtjes in botten. De methode omvat de gerichte afgifte van de medicijnen, direct naar de scheuren, op de ruggen van kleine zelfaangedreven nanodeeltjes. De energie die de motoren van de nanodeeltjes laat draaien en ze naar de scheur stuurt, komt van een verrassende bron:de scheur zelf.

"Als er een scheur in een bot ontstaat, het verstoort de mineralen in het bot, die uitlogen als geladen deeltjes - als ionen - die een elektrisch veld creëren, die de negatief geladen nanodeeltjes naar de scheur trekt, " zei Penn State hoogleraar scheikunde Ayusman Sen, een co-leider van het onderzoeksteam. "Onze experimenten hebben aangetoond dat een biocompatibel deeltje snel en op natuurlijke wijze een middel tegen osteoporose rechtstreeks kan afgeven aan een pas gebarsten bot."

Sen zei dat de vorming van dit soort elektrisch veld een bekend fenomeen is, maar andere wetenschappers hadden het eerder niet gebruikt als zowel een krachtbron als een homing baken om actief botgenezende medicijnen te leveren aan de plaatsen die het meeste risico lopen op fracturen of actieve achteruitgang. "Het is een nieuwe manier om scheuren op te sporen en medicijnen te leveren, ", zei teamleider en professor aan de Boston University Mark Grinstaff.

De methode is energieker en doelgerichter dan de huidige methodes, waarin medicijnen passief op de circulerende bloedbaan rijden, waar ze al dan niet microscheuren bereiken in een dosering die hoog genoeg is om genezing te initiëren. De nieuwe methode houdt de belofte in om - zodra ze zich vormen - de microscheurtjes te behandelen die leiden tot botbreuken bij patiënten met osteoporose en andere medische aandoeningen.

Om een ​​manier te vinden om microscheuren te genezen voordat ze uitgroeien tot breuken, Sen en zijn afgestudeerde student Vinita Yadav hebben hun scheikundelab samengebracht met Grinstaff's scheikunde/biomedische technieklab. De wetenschappers deden vervolgens een reeks experimenten in elk van hun laboratoria. Een wetenschappelijk artikel dat deze experimenten beschrijft, wordt deze maand gepubliceerd in het internationale chemietijdschrift Angewandte Chemie .

Sen en Yadav's eerste serie experimenten testten hun nieuwe manier om medicijnen af ​​te leveren in een modelsysteem met behulp van bot van een menselijk scheenbeen en dijbeen en zeer kleine fluorescerende deeltjes, kwantumdots genaamd, gemaakt van synthetisch materiaal. Sen zei, "We hebben fluorescentie aan deze deeltjes toegevoegd omdat fluorescentie ze zo gemakkelijk te zien maakt onder een microscoop." Deze eerste reeks tests toonde aan dat negatief geladen kwantumstippen dat wel deden, inderdaad, beweeg naar en stapel zich op een nieuw gevormde scheur.

De wetenschappers testten vervolgens hun systeem met behulp van een natuurlijk biologisch materiaal - een eiwitmolecuul - om te zien of het zou presteren op menselijk bot en de synthetische kwantumstippen zich gedroegen. De resultaten van deze tests waren bemoedigend. Dus het team onder leiding van Sen en Grinstaff legde de lat nog hoger, doen hun volgende reeks experimenten met nanomotoren gemaakt van zowel een biologisch materiaal als een synthetisch materiaal. Ze wilden zien of ze het biologische materiaal - een medicijn dat wordt gebruikt om osteoporose te behandelen - konden hechten aan een synthetisch materiaal dat het zou kunnen dragen, als een nanotruck, tot een scheur in een menselijk bot. Het synthetische materiaal dat de wetenschappers hebben geselecteerd om het middel tegen osteoporose (polymelkzuur-co-glycolzuur) te dragen, is goedgekeurd door de Federal Drug Administration en wordt veel gebruikt in medische hulpmiddelen. Het doel van deze reeks experimenten was om een ​​zelfaangedreven nanotruck te maken die het middel tegen osteoporose (natriumalendronaat) zou kunnen vervoeren en een goede kans zou hebben om veilig te worden gebruikt in het menselijk lichaam.

Net als de nanodeeltjes in de vorige tests, aan het door de FDA goedgekeurde nanotruckmateriaal was een klein fluorescerend molecuul bevestigd, zodat de bewegingen onder een microscoop konden worden gezien. "Onze experimenten laten zien dat deze bioveilige nanomotor kan, in feite, met succes het middel tegen osteoporose naar een nieuwe spleet in een menselijk bot brengen, " zei Sen. Hij legde uit dat, zelfs toen deze nanomotoren waren geladen met miljoenen moleculen van hun botgenezende lading, elk was nog steeds 30 tot 40 keer kleiner dan een rode bloedcel.

In een laatste reeks experimenten, gedaan in het Grinstaff-lab aan de Boston University, afgestudeerde student Jonathan Freedman testte hetzelfde middel tegen osteoporose op levende menselijke botcellen. "De behandelde botcellen namen in aantal toe in vergelijking met degenen die niet werden behandeld met het middel tegen osteoporose, die andere onderzoeken bevestigt die hebben aangetoond dat dit medicijn effectief is bij het herstellen van menselijke botten, ' zei Grinstaff.

"Wat onze nanomotoren anders maakt, is dat ze actief en op natuurlijke wijze medicijnen kunnen afleveren aan een gericht gebied, "Zei Sen. "De huidige methoden, in tegenstelling tot, omvatten het nemen van een medicijn en hopen dat er genoeg van komt waar het nodig is voor genezing." Nu dit door nanomotor aangedreven medicatietoedieningssysteem een ​​start heeft gekregen, er zullen nog veel meer tests en veel verdere ontwikkeling nodig zijn voordat bewezen kan worden dat het veilig en effectief is voor het voorkomen van botbreuken bij patiënten met aandoeningen zoals osteoporose.