Nanodeeltjes zijn aangekondigd als een potentiële "verstorende technologie" in de biogeneeskunde, een veelzijdig platform dat conventionele technologieën zou kunnen verdringen, zowel als voertuigen voor het afleveren van medicijnen en als diagnostische hulpmiddelen.

Eerst, echter, onderzoekers moeten de goed getimede desintegratie van deze extreem kleine structuren aantonen, een proces dat essentieel is voor hun prestaties en hun vermogen om veilig uit het lichaam van een patiënt te worden verwijderd nadat hun werk is gedaan. Een nieuwe studie presenteert een unieke methode om de afbraak van nanodeeltjes in realtime in biologische omgevingen te meten.

"Nanodeeltjes worden gemaakt met zeer uiteenlopende ontwerpen en eigenschappen, maar ze moeten allemaal uiteindelijk uit het lichaam worden geëlimineerd nadat ze hun taak hebben voltooid, " zei cardiologieonderzoeker Michael Chorny, doctoraat, van het kinderziekenhuis van Philadelphia (CHOP). "We bieden een nieuwe methode om de demontage van nanodeeltjes te analyseren en te karakteriseren, als een noodzakelijke stap in het vertalen van nanodeeltjes naar klinisch gebruik."

Chorny en collega's beschreven deze nieuwe methodologie in de Proceedings van de National Academy of Sciences , online gepubliceerd op 3 maart 2014, en in het gedrukte nummer van 18 maart van het tijdschrift.

Het CHOP-team doet al lang onderzoek naar biologisch afbreekbare nanodeeltjes voor medische toepassingen. Met diameters van enkele tientallen tot enkele honderden nanometers, deze deeltjes zijn 10 tot 1000 keer kleiner dan rode bloedcellen (een nanometer is een miljoenste millimeter). Een grote uitdaging is om het lot van nanodeeltjes in modelbiologische omgevingen en in levende cellen continu te volgen zonder celfuncties te verstoren.

"Nauwkeurige meting van de demontage van nanodeeltjes in realtime, rechtstreeks in interessante media, zoals het interieur van een levende cel of andere soorten complexe biologische milieus, is uitdagend. Ons doel hier was om zo'n niet-invasieve methode te ontwikkelen die onbevooroordeelde resultaten oplevert, " zei Chorny. "Deze resultaten zullen onderzoekers helpen om formuleringen van nanodeeltjes aan te passen voor specifieke therapeutische en diagnostische toepassingen."

Het onderzoeksteam gebruikte een fysiek fenomeen genaamd Förster-resonantie-energieoverdracht, of FRET, als een soort moleculaire liniaal om de afstand tussen de componenten van hun deeltjes te meten.

Voor deze, de onderzoekers labelden hun formuleringen met fluorescerende sondes die de stralingsloze overdracht van energie vertoonden, d.w.z., TOBBEN, wanneer ze zich in hetzelfde deeltje bevinden. Dit proces resulteert in een speciaal patroon van fluorescentie, een "vingerafdruk" van fysiek intacte deeltjes, die geleidelijk verdwijnt naarmate de demontage van de deeltjes vordert. Deze verandering in de fluorescerende eigenschappen van nanodeeltjes kan direct worden gevolgd zonder de deeltjes van hun omgeving te scheiden, het toestaan ​​van onvervormde, continue metingen van hun integriteit.

"De moleculen moeten heel dicht bij elkaar zitten, slechts enkele nanometers uit elkaar, om de energieoverdracht te laten plaatsvinden, " zei Chorny. "De veranderingen in de fluorescentiepatronen weerspiegelen gevoelig de kinetiek van de demontage van nanodeeltjes. Op basis van deze resultaten, we kunnen het deeltjesontwerp verbeteren om ze veiliger en effectiever te maken."

De snelheid van demontage is zeer relevant voor specifieke potentiële toepassingen. Bijvoorbeeld, sommige nanodeeltjes kunnen een medicijn bevatten dat bedoeld is voor snelle actie, terwijl anderen het medicijn beschermd moeten houden en in de loop van de tijd op een gecontroleerde manier moeten vrijgeven. Het afstemmen van formuleringseigenschappen voor deze taken kan een zorgvuldige aanpassing van het tijdsbestek van de demontage van de nanodeeltjes vereisen. Dit is waar deze techniek een waardevol hulpmiddel kan worden, het optimalisatieproces aanzienlijk vergemakkelijken

In de huidige studie, de wetenschappers analyseerden hoe nanodeeltjes uiteenvielen in zowel vloeibare als semi-vloeibare media, en in vasculaire cellen die het lot simuleren van deeltjes die worden gebruikt om therapie af te geven aan beschadigde bloedvaten. "We ontdekten dat demontage waarschijnlijk sneller zal plaatsvinden in het begin van het genezingsproces van het bloedvat en later zal vertragen. Dit kan implicaties hebben voor het ontwerp van nanodeeltjes die bedoeld zijn voor gerichte medicijnen, gen- of celtherapie van vaatziekten, ' zei Chorny.

Chorny en collega's hebben lang onderzoek gedaan naar het gebruik van nanodeeltjes die zijn geformuleerd als dragers die antiproliferatieve geneesmiddelen en biotherapeutica afgeven aan bloedvaten die onderhevig zijn aan gevaarlijke restenose (opnieuw verstopping). Veel van deze onderzoeken, in het Cardiology Research Laboratory van CHOP co-auteur Robert J. Levy, MD, externe magnetische velden gebruiken om met ijzeroxide geïmpregneerde nanodeeltjes naar metalen arteriële stents te leiden, smalle steigers geïmplanteerd in bloedvaten.

Het huidige onderzoek, zei Chorny, terwijl het onmiddellijk relevant is voor restenosetherapie en magnetisch geleide bevalling, heeft veel bredere toepassingsmogelijkheden. "Nanodeeltjes kunnen worden geformuleerd met contrastmiddelen voor diagnostische beeldvorming, of medicijnen tegen kanker kunnen afgeven aan een tumor, " zei hij. "Ons meetinstrument kan onderzoekers helpen bij het ontwikkelen en optimaliseren van hun nanogeneesmiddelformuleringen voor een reeks medische toepassingen."