Een team van onderzoekers heeft een nieuw implanteerbaar medicijnafgiftesysteem ontwikkeld met behulp van nanodraden die draadloos kunnen worden bestuurd.

De nanodraden reageren op een elektromagnetisch veld dat wordt gegenereerd door een afzonderlijk apparaat, die kan worden gebruikt om de afgifte van een vooraf geladen medicijn te regelen. Het systeem elimineert buizen en draden die nodig zijn voor andere implanteerbare apparaten die kunnen leiden tot infectie en andere complicaties, zei teamleider Richard Borgens, Purdue University's Mari Hulman George hoogleraar Toegepaste Neurowetenschappen en directeur van Purdue's Center for Paralysis Research.

"Deze tool stelt ons in staat om indien nodig medicijnen direct op de plaats van de verwonding toe te passen, die brede medische toepassingen kunnen hebben, "Zei Borgens. "De technologie bevindt zich in een vroeg stadium van testen, maar we hopen dat dit op een dag kan worden gebruikt om medicijnen rechtstreeks aan ruggenmergletsels toe te dienen, ulceraties, diepe botverwondingen of tumoren, en vermijd de vreselijke bijwerkingen van systemische behandeling met steroïden of chemotherapie."

Het team testte het medicijnafgiftesysteem bij muizen met compressieverwondingen aan hun ruggenmerg en diende het corticosteroïde dexamethason toe. De studie mat een moleculaire marker van ontsteking en littekenvorming in het centrale zenuwstelsel en vond dat deze na een week behandeling was verminderd. Een paper waarin de resultaten worden beschreven, zal worden gepubliceerd in een aankomend nummer van de Tijdschrift voor gecontroleerde afgifte en is momenteel online beschikbaar.

De nanodraden zijn gemaakt van polypyrrool, een geleidend polymeer materiaal dat reageert op elektromagnetische velden. Wen Gao, een postdoctoraal onderzoeker in het Centre for Paralysis Research die samen met Borgens aan het project werkte, groeiden de nanodraden verticaal over een dunne gouden basis, als kleine vezels die een stuk shag-tapijt vormen dat honderden keren kleiner is dan een menselijke cel. De nanodraden kunnen worden geladen met een medicijn en, wanneer het juiste elektromagnetische veld wordt toegepast, de nanodraden geven kleine hoeveelheden van de nuttige lading vrij. Dit proces kan naar believen worden gestart en gestopt, zoals het omzetten van een schakelaar, door gebruik te maken van het bijbehorende elektromagnetische veldstimulerende apparaat, aldus Borgens.

De onderzoekers vingen en transporteerden een stukje van het nanodraadtapijt op waterdruppels die werden gebruikt om het op de plaats van de verwonding af te leveren. De nanodraadpleisters hechten zich aan de plaats van de verwonding door oppervlaktespanning, zei Gao.

De grootte en golfvorm van het elektromagnetische veld moeten worden afgestemd om de optimale afgifte van het medicijn te verkrijgen, en de precieze mechanismen die het medicijn afgeven zijn nog niet goed begrepen, ze zei. Het team onderzoekt het releaseproces.

Het elektromagnetische veld beïnvloedt waarschijnlijk de interactie tussen het nanomateriaal en de medicijnmoleculen, aldus Borgens.

"We denken dat het een combinatie is van ladingseffecten en de vormverandering van het polymeer waardoor het medicijnen kan opslaan en vrijgeven, " zei hij. "Het is een omkeerbaar proces. Zodra het elektromagnetische veld is verwijderd, het polymeer springt terug naar de oorspronkelijke architectuur en behoudt de resterende medicijnmoleculen."

Voor elk verschillend medicijn zou het team het corresponderende optimale elektromagnetische veld moeten vinden voor de afgifte ervan, zei Gao.

Deze studie bouwt voort op eerder werk van Borgens en Gao. Gao moest eerst uitzoeken hoe hij polypyrrool kon laten groeien in een lange verticale architectuur, waardoor het grotere hoeveelheden van een medicijn kan bevatten en de potentiële behandelingsperiode verlengt. Het team toonde vervolgens aan dat het kan worden gemanipuleerd om dexamethason op verzoek vrij te geven. Een document waarin het werk wordt beschreven, getiteld "Actie op afstand:functionele medicijnafgifte met behulp van elektromagnetisch-veld-responsieve polypyrrool-nanodraden, " werd gepubliceerd in het tijdschrift Langmuir .

Andere teamleden die bij het onderzoek betrokken zijn, zijn onder meer John Cirillo, wie heeft het elektromagnetische veldstimulerende systeem ontworpen en gebouwd; Youngnam Cho, een voormalig lid van de faculteit bij Purdue's Centre for Paralysis Research; en Jianming Li, een onderzoeksassistent-professor in het centrum.

Voor de meest recente studie gebruikte het team muizen die genetisch gemodificeerd waren, zodat het eiwit Glial Fibrillary Acidic Protein, of GFAP, lichtgevend is. GFAP wordt uitgedrukt in cellen die astrocyten worden genoemd en die zich in grote aantallen verzamelen bij verwondingen aan het centrale zenuwstelsel. Astrocyten maken deel uit van het ontstekingsproces en vormen littekenweefsel, aldus Borgens.

Een 1-2 millimeter patch van de nanodraden gedoteerd met dexamethason werd geplaatst op laesies van het ruggenmerg die operatief waren blootgelegd, aldus Borgens. Daarna werden de laesies gesloten en werd een week lang twee uur per dag een elektromagnetisch veld aangelegd. Tegen het einde van de week hadden de behandelde muizen een zwakker GFAP-signaal dan de controlegroepen, waaronder muizen die niet werden behandeld en muizen die een nanodraadpleister kregen maar niet werden blootgesteld aan het elektromagnetische veld. In sommige gevallen, behandelde muizen hadden geen detecteerbaar GFAP-signaal.

Of de vermindering van astrocyten een significante invloed had op de genezing van het ruggenmerg of op functionele resultaten, werd niet onderzocht. In aanvulling, de concentratie van het geneesmiddel die tijdens de behandeling wordt gehandhaafd, is niet bekend omdat deze onder de limieten van systemische detectie ligt, aldus Borgens.

"Deze methode maakt een zeer, zeer kleine dosis van een medicijn om effectief te dienen als een grote dosis precies waar u het nodig heeft, " zei Borgens. "Tegen de tijd dat het medicijn van de plaats naar de rest van het lichaam diffundeert, is het in hoeveelheden die niet detecteerbaar zijn in de gebruikelijke tests om de concentratie van medicijnen in de bloedbaan te controleren."

Polypyrrool is een inert en biocompatibel materiaal, maar het team werkt aan het creëren van een biologisch afbreekbare vorm die zou oplossen nadat de behandelingsperiode was afgelopen, hij zei.

Het team probeert ook de diepte te vergroten waarop het medicijnafgifteapparaat zal werken. Het huidige systeem lijkt beperkt te zijn tot een weefseldiepte van minder dan 3 centimeter, zei Gao.