Met de aanhoudende behoefte aan zeer kleine apparaten in therapeutische toepassingen, er is een groeiende vraag naar de ontwikkeling van nanodeeltjes die medicijnen kunnen transporteren en afleveren aan doelcellen in het menselijk lichaam.

Onlangs, onderzoekers creëerden nanodeeltjes die onder de juiste omstandigheden, zelf-assembleren - complementaire gastmoleculen opsluiten in hun structuur. Als kleine onderzeeërs, deze veelzijdige nanodragers kunnen navigeren in de waterige omgeving rond cellen en hun gastmoleculen door het membraan van levende cellen transporteren om hun lading achtereenvolgens af te leveren.

Hoewel het transport van moleculen in cellen met nanodeeltjes eerder is bereikt met behulp van verschillende methoden, onderzoekers hebben nanodeeltjes ontwikkeld die complementaire moleculen kunnen leveren en uitwisselen. Voor praktische toepassingen, deze nanodragers zijn zeer wenselijk, legt Francisco Raymo uit, hoogleraar scheikunde aan het University of Miami College of Arts and Sciences en hoofdonderzoeker van dit project.

"Het vermogen om verschillende soorten onafhankelijk in cellen af ​​​​te leveren en ze te dwingen tot interactie, uitsluitend in de intracellulaire omgeving, kan uitgroeien tot een waardevolle strategie om medicijnen in cellen te activeren, ' zegt Raymo.

De nieuwe nanodragers hebben een diameter van 15 nanometer. Het zijn supramoleculaire constructies die bestaan ​​uit bouwstenen die amfifiele polymeren worden genoemd. Deze nanodragers houden de gastmoleculen binnen de grenzen van hun in water onoplosbare binnenkant en gebruiken hun in water oplosbare buitenkant om door een waterige omgeving te reizen. Als resultaat, deze nanovoertuigen zijn ideaal voor het overbrengen van moleculen die anders onoplosbaar zouden zijn in water, in een vloeibare omgeving.

"Eenmaal in een levende cel, de deeltjes vermengen zich en wisselen hun lading uit. Deze interactie maakt de energieoverdracht tussen de geïnternaliseerde moleculen mogelijk, " zegt Raymo, directeur van het UM-laboratorium voor moleculaire fotonica. "Als de complementaire energiedonoren en -acceptoren afzonderlijk en opeenvolgend worden geladen, de overdracht van energie tussen hen vindt uitsluitend plaats in de intracellulaire ruimte, "zegt hij. "Terwijl de energieoverdracht plaatsvindt, de acceptoren zenden een fluorescerend signaal uit dat met een microscoop kan worden waargenomen."

Essentieel voor dit mechanisme zijn de niet-covalente bindingen die de supramoleculaire constructies losjes bij elkaar houden. Deze zwakke bindingen bestaan ​​tussen moleculen met complementaire vormen en elektronische eigenschappen. Ze zijn verantwoordelijk voor het vermogen van de supramoleculen om spontaan te assembleren in vloeibare omgevingen. Onder de juiste omstandigheden, de omkeerbaarheid van deze zwakke niet-covalente contacten stelt de supramoleculaire constructies in staat om zowel hun componenten als hun lading uit te wisselen.

De experimenten werden uitgevoerd met celculturen. Het is nog niet bekend of de nanodeeltjes daadwerkelijk door de bloedbaan kunnen reizen.

"Dat zou de droom zijn, maar we hebben geen bewijs dat ze dat ook echt kunnen, " zegt Raymo. "Echter, dit is de richting die we opgaan."

De volgende fase van dit onderzoek omvat het aantonen dat deze methode kan worden gebruikt om chemische reacties in cellen uit te voeren, in plaats van energieoverdracht.

"De grootte van deze nanodeeltjes, hun dynamische karakter en het feit dat de reacties plaatsvinden onder normale biologische omstandigheden (bij omgevingstemperatuur en neutrale omgeving) maken deze nanodeeltjes tot een ideaal vehikel voor de gecontroleerde activering van therapieën, direct in de cellen, ' zegt Raymo.

De huidige studie is getiteld "Intracellulaire gastuitwisseling tussen dynamische supramoleculaire gastheren." Het is gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Andere auteurs zijn John F. Callan, co-corresponderende auteur van de studie, van de School voor Farmacie en Farmaceutische Wetenschappen aan de Universiteit van Ulster; Subramani Swaminathan en Janet Cusido van het UM's Laboratory for Molecular Photonics, Afdeling Scheikunde aan de Hogeschool voor Kunsten en Wetenschappen; en Colin Fowley en Bridgeen McCuaghan, School voor Farmacie en Farmaceutische Wetenschappen aan de Universiteit van Ulster.