Onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) hebben een techniek ontwikkeld om te observeren, live, hoe individuele bloedcomponenten op elkaar inwerken en geavanceerde therapieën voor nanodeeltjes wijzigen. De methode, ontwikkeld door een interdisciplinair team bestaande uit clinicus-wetenschapper assistent-professor Chester Lee Drum van de afdeling Geneeskunde van de NUS Yong Loo Lin School of Medicine, Professor T. Venky Venkatesan, Directeur van NUS Nanoscience en Nanotechnology Institute, en assistent-professor James Kah van de afdeling Biomedische Technologie van de NUS-faculteit Ingenieurswetenschappen, helpt bij het ontwerpen van toekomstige nanodeeltjes om samen te werken met menselijke bloedbestanddelen, waardoor ongewenste bijwerkingen worden vermeden.

Dit onderzoek is online gepubliceerd in het tijdschrift Klein , een top multidisciplinair tijdschrift over onderzoek op nano- en microschaal, op 10 september 2015.

Uitdagingen bij het gebruik van nanodeeltjes in diagnostische en medicijnafgiftesystemen

Met hun kleine formaat en meerdere functionaliteiten, nanodeeltjes hebben veel aandacht getrokken als zowel diagnostische als medicijnafgiftesystemen. Echter, binnen enkele minuten nadat het in de bloedbaan is terechtgekomen, nanodeeltjes zijn bedekt met een schil van serumeiwitten, ook wel bekend als een eiwit 'corona'.

"De binding van serumeiwitten kan het gedrag van nanodeeltjes ingrijpend veranderen, soms leidend tot een snelle klaring door het lichaam en een verminderd klinisch resultaat, " zei Asst Prof Kah.

Bestaande methoden zoals massaspectroscopie en schatting van de diffusiestraal, hoewel nuttig voor het bestuderen van belangrijke nanodeeltjesparameters, kunnen geen gedetailleerde, realtime bindingskinetiek.

Nieuwe methode om nano-bio-interacties te begrijpen

Het NUS-team, samen met externe medewerker Professor Bo Liedberg van de Nanyang Technological University, toonde een zeer reproduceerbare kinetiek voor de binding tussen gouden nanodeeltjes en de vier meest voorkomende serumeiwitten:humaan serumalbumine, fibrinogeen, apolipoproteïne A-1, en polyklonaal IgG.

"Opmerkelijk aan dit project was het initiatief van Abhijeet Patra, mijn afgestudeerde student van NUS Graduate School for Integrative Sciences and Engineering, bij het conceptualiseren van het probleem, en het samenbrengen van de verschillende teams in NUS en daarbuiten om er een succesvol programma van te maken, "Zei prof. Venkatesan. "De belangrijkste ontwikkeling is het gebruik van een nieuwe techniek die gebruik maakt van Surface Plasmon Resonance (SPR)-technologie om de eiwitcorona te meten die wordt gevormd wanneer gewone eiwitten in de bloedbaan zich binden aan nanodeeltjes. " hij voegde toe.

De onderzoekers immobiliseerden eerst de gouden nanodeeltjes op het oppervlak van een SPR-sensorchip met een linkermolecuul. De chip is speciaal gemodificeerd met een alginaatpolymeerlaag die zowel een negatieve lading als actieve plaatsen voor ligandimmobilisatie verschafte, en verhinderde niet-specifieke binding. Met behulp van een 6 x 6 microfluïdische kanaalarray, ze bestudeerden tot 36 nanodeeltjes-eiwit-interacties in een enkel experiment, het uitvoeren van testmonsters naast experimentele controles.

"Reproduceerbaarheid en betrouwbaarheid zijn een knelpunt geweest in de onderzoeken naar eiwitcorona's, " zei de heer Abhijeet Patra. "De kwaliteit en betrouwbaarheid van de gegevens hangt vooral af van het ontwerp van goede controle-experimenten. Onze gemultiplexte SPR-opstelling was daarom essentieel om de betrouwbaarheid van onze gegevens te waarborgen."

Testing different concentrations of each of the four proteins, the team found that apolipoprotein A-1 had the highest binding affinity for the gold nanoparticle surface, with an association constant almost 100 times that of the lowest affinity protein, polyclonal IgG. 

"Our results show that the rate of association, rather than dissociation, is the main determinant of binding with the tested blood components, " said Asst Prof Drum.

The multiplex SPR system was also used to study the effect of modification with polyethylene (PEG), a synthetic polymer commonly used in nanoparticle formulations to prevent protein accumulation. The researchers found that shorter PEG chains (2-10 kilodaltons) are about three to four times more effective than longer PEG chains (20-30 kilodaltons) at preventing corona formation.

"The modular nature of our protocol allows us to study any nanoparticle which can be chemically tethered to the sensing surface, " explained Asst Prof Drum. "Using our technique, we can quickly evaluate a series of nanoparticle-based drug formulations before conducting in vivo studies, thereby resulting in savings in time and money and a reduction of in vivo testing, " hij voegde toe.

The researchers plan to use the technology to quantitatively study protein corona formation for a variety of nanoparticle formulations, and rationally design nanomedicines for applications in cardiovascular diseases and cancer.