Nanotechnologie heeft geleid tot betere diagnostische technieken en effectievere behandelingen voor een verscheidenheid aan ziekten. Kleine apparaten van 1 tot 100 micrometer - één micrometer is gelijk aan een miljoenste van een meter - stellen wetenschappers in staat celactiviteit te observeren en medicijnen aan individuele cellen te leveren - een doorbraak die op het punt staat een revolutie teweeg te brengen in de precisiegeneeskunde voor de behandeling van ziekten zoals kanker.

Een obstakel voor het vervullen van de belofte van nanogeneeskunde is het onvermogen om cel-tot-cel-interacties op nanoschaal te observeren in een omgeving die de dynamische omgeving in het lichaam nauw simuleert. Een micro-vloeistofomgeving die de bloedstroom nabootst, is de sleutel tot het leren hoe cellen beschadigd raken door ziektetoestanden - en hoe ze kunnen herstellen als reactie op de behandeling.

Nu heeft een team van onderzoekers van Lehigh University en de University of Pennsylvania een techniek ontwikkeld om cel-tot-cel-interactie op nanoschaal te observeren onder microvloeistofomstandigheden. Ze hebben de techniek met succes toegepast op de studie van bloedvatontsteking, een aandoening die het toneel vormt voor hartaandoeningen, de nummer één doodsoorzaak in de VS en wereldwijd. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Biomicrofluïdica .

"We hebben aangetoond dat onze techniek met succes kan worden toegepast op de studie van ontstekingen en werken aan een manier om op dezelfde manier te observeren en in te grijpen bij het herstel van tumorcellen, " zei Yaling Liu, Universitair hoofddocent Werktuigbouwkunde en Mechanica, Bioengineering bij Lehigh en een co-auteur van de studie.

Het dynamische overdrachtsproces nabootsen

chronisch, laaggradige ontsteking is sterk geassocieerd met disfunctionele endotheelcellen, die de binnenbekleding van bloedvaten vormen. Het verschijnen van intercellulair adhesiemolecuul-1 (ICAM-1) op het oppervlak van endotheelcellen, cruciaal bij het reguleren van cel-tot-cel-interactie als onderdeel van de reactie van het immuunsysteem van het lichaam, is een zeker teken dat ontsteking en ziekte aanwezig zijn. Daarom, het observeren van de activering van endotheelcellen onder ziektecondities is essentieel om te begrijpen hoe hartaandoeningen zich ontwikkelen en hoe deze te stoppen.

De beste manier om deze veranderingen waar te nemen, is in het lichaam. Echter, het is erg moeilijk om dit te doen. Het observeren van de ziekte in een statische celcultuur - door cellen te verwijderen en te laten groeien in een kunstmatige omgeving zoals een petrischaal - is beperkt in zijn vermogen om de dynamische interacties onder bloedstroomomstandigheden nauwkeurig weer te geven.

Naast Liu, het team uit Lehigh bestaat uit Linda Lowe-Krentz, Professor, Biologische Wetenschappen; H. Daniel Ou-Yang, Professor, Natuurkunde; en Ph.D. leerling Anton Thomas. Ze werkten samen met Vladimir R. Muzykantov, Hoogleraar farmacologie aan Penn om een ​​bloedvat op een chip te ontwikkelen om de dynamiek van ICAM-1 te bestuderen op het oppervlak van endotheelcellen die worden geactiveerd onder ziektecondities.

"We waren in staat om het dynamische overdrachtsproces na te bootsen en te observeren - dat moment waarop de met intercellulaire adhesiemolecuul-1 met antilichaam gecoate nanodeeltjes zich binden aan de cel die ontstekingsupregulatie door endotheelcellen signaleert - op een chip. We waren ook in staat om de stroom nauwkeurig te regelen van vloeistof, " zei Liu. "Deze betrouwbare en relatief eenvoudige methode simuleert de omstandigheden waaronder endotheelcellen in het lichaam voorkomen, het mogelijk maken om cellulaire pathologie in realtime te observeren, en analyseer verschillen in de reacties van cellen op de behandeling."

Een ideale omgeving voor het testen van drugs

Omdat deze nieuwe technologie een platform creëert om te focussen op een bepaalde zieke regio, Liu en zijn collega's geloven dat het bij uitstek geschikt is voor het testen van nieuwe ziektebehandelingen.

Gezonde cellen bevinden zich op dezelfde chip als zieke cellen, waardoor meer gelokaliseerde controle mogelijk is om een ​​bepaald medicijn te testen. Dit, gecombineerd met de gesimuleerde bloedstroomomgeving, stelt onderzoekers ook in staat een veel robuustere dataset te verzamelen dan ze zouden kunnen door een statische cultuur te gebruiken.

Het gebruik door het team van met antilichaam gecoate nanodeeltjes als beeldvormende sondes om de kenmerken van cellen te beoordelen, is een ander belangrijk voordeel van de nieuwe technologie. Het gebruik van de nanodeeltjessondes elimineert de noodzaak om radio-isotoop-gelabelde ICAM-1-antilichamen te gebruiken om cellulaire interacties te volgen - een techniek die gepaard gaat met uitdagingen op het gebied van regelgeving en veiligheid. Het is ook erg duur.

"Ons systeem zorgt voor een veiliger, minder goedkope manier om een ​​nieuw medicijn te testen in een omgeving die de omgeving van een zieke regio dicht benadert, " zei Liu.

Een "brug" naar precisiegeneeskunde

Het innovatieve platform van het team biedt ook een cruciale vroege blik op de effectiviteit en veiligheid van een nieuw medicijn - een bijzonder belangrijke stap gezien de risico's en kosten die gepaard gaan met klinische proeven bij mensen.

In een studie uit 2012 die werd ingediend bij het Amerikaanse ministerie van Volksgezondheid en Human Services, werden de kosten van klinische geneesmiddelenonderzoeken gedetailleerd. De auteurs van "Examination of Clinical Trial Costs and Barriers for Drug Development" schatten dat de kosten van het voltooien van klinische proeven voor een nieuw medicijn tussen ongeveer $ 50 miljoen en $ 115 miljoen bedragen, afhankelijk van het therapeutische gebied - ademhalingssysteem en oncologie behoren tot de duurste .

De studie identificeerde ook de kosten van klinische proeven als een mogelijke reden voor een vertraging van de aanvragen voor goedkeuring van nieuwe geneesmiddelen. Tussen 2003 en 2012 het aantal FDA-goedkeuringen van nieuwe geneesmiddelen per jaar daalde van het gemiddelde van het voorgaande decennium van 30 tot 25,7. Het gemiddelde jaarlijkse aantal deponeringen is in dezelfde periode ook licht gedaald. De auteurs stellen:"Een vermindering van de pijplijn van medicijntoepassingen betekent in de komende jaren minder nieuwe therapieën."

De technologie die is ontwikkeld door het Lehigh- en UPenn-team biedt farmaceutische bedrijven de mogelijkheid om een ​​vroege blik te werpen op het werkzaamheids- en veiligheidsprofiel van een nieuwe behandeling voordat ze zich committeren aan klinische proeven, dus minder risico en lagere kosten. Volgens Liu, deze vroege blik zou kunnen fungeren als een "brug" tussen de ontwikkeling van een medicijn en proeven bij mensen. Uiteindelijk - en vooral - het bieden van deze "brug" zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwere ziektebehandelingen die consumenten sneller bereiken.

Door patiëntencellen direct in hun biomimetische chip te kweken en te testen onder vergelijkbare omstandigheden die in vivo worden waargenomen, het kan inzichten verschaffen voor precisiegeneeskunde die is afgestemd op een specifieke patiënt in een patiëntspecifieke omgeving.

Liu, samen met industriementor Ira Weisberg (CEO van Amherst Pharmaceuticals) en ondernemerleider Christopher Uhl (Bioengineering Ph.D. student aan Lehigh) hebben ze een NSF Innovation Corp-beurs ontvangen en werken ze samen met Lehigh University's Office of Technology Transfer om de technologie te commercialiseren onder de bedrijfsnaam PharmaFlux.

"Terwijl we doorgaan met het ontwikkelen van het platform buiten de studie van ontstekingen, "Lou zegt, "We hopen een belangrijke bijdrage te leveren aan de versnelling van gerichte medicijnafgifte en helpen een nieuw tijdperk van betere geneeskunde in te luiden."