Voor een aantal innovatieve en levensreddende medische behandelingen, van orgaanvervangingen en huidtransplantaties tot kankertherapie en chirurgie, succes hangt vaak af van voorbij glippen of het afweren van het immuunsysteem van het lichaam. In een recente ontwikkeling, gericht op het helpen opsporen en behandelen van kanker, Onderzoekers van de Drexel University hebben misschien de ideale oppervlaktetextuur gevonden om microscopische, medische helpers om te overleven in de bloedbaan zonder te worden afgeschermd door de natuurlijke afweermechanismen van het lichaam.

De onderzoekers, onder leiding van Hao Cheng, doctoraat, een assistent-professor aan de afdeling Materials Science and Engineering van Drexel's College of Engineering, hebben onderzocht hoe de levensduur van nanodeeltjes in het lichaam kan worden verlengd. Deze toepasselijk genaamde kleine organische moleculen kunnen worden aangepast om door de bloedbaan te reizen, kankertumoren zoeken en binnendringen. Met dit vermogen, ze hebben een grote belofte getoond, zowel als markers voor tumoren als hulpmiddelen om ze te behandelen. Maar op dit punt, een belangrijke limiet aan hun effectiviteit is hoe lang ze in omloop kunnen blijven - vandaar Cheng's streven.

"De meeste synthetische nanodeeltjes worden snel geklaard in de bloedbaan voordat ze tumoren bereiken. Korte bloedcirculatietijd is een van de belangrijkste belemmeringen voor nanodeeltjes bij kankertherapie en sommige andere biomedische toepassingen, " Zei Cheng. "Onze groep ontwikkelt een gemakkelijke aanpak die de circulatie van nanodeeltjes in het bloed dramatisch uitbreidt om hun antitumoreffectiviteit te verbeteren."

Zijn laatste ontdekking, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , laat zien dat oppervlaktetopografie de sleutel is tot het overleven van nanodeeltjes. De onderzoeksgroep van Cheng laat zien hoe polymeerschillen kunnen worden gebruikt om nanodeeltjes in de bloedbaan te verhullen tegen opname door het immuunsysteem en de lever - de primaire screeners van het lichaam om schadelijke indringers uit de bloedsomloop te verwijderen.

'Gemarkeerd' worden

Zodra nanodeeltjes in de bloedbaan komen, plasma-eiwitten hechten zich onmiddellijk aan hun oppervlak, een proces dat 'eiwitadsorptie' wordt genoemd. Sommige van deze geadsorbeerde eiwitten gedragen zich als een marker om nanodeeltjes als vreemde lichamen te labelen, het immuunsysteem vertellen om ze te verwijderen.

Eerder, wetenschappers geloofden dat zodra de nanodeeltjes "eiwit-gelabelde" macrofagen waren, de poortwachtercellen van het immuunsysteem, zou de primaire verantwoordelijkheid op zich nemen om ze uit het bloed te verwijderen. Maar uit het onderzoek van Cheng bleek dat lever-sinusoïdale endotheelcellen een even belangrijke rol spelen bij het oppakken van lichaamsindringers.

"Dit was een enigszins verrassende bevinding, " zei Cheng. "Macrofagen worden normaal gesproken beschouwd als de belangrijkste aaseter van nanodeeltjes in het bloed. Terwijl lever-sinusoïdale endotheelcellen scavenger-receptoren tot expressie brengen, het was grotendeels onbekend dat het verminderen van hun opname van nanodeeltjes een nog dramatischer effect zou kunnen hebben dan pogingen om opname door microfagen te voorkomen."

Dus om nanodeeltjes in omloop te houden, moesten de onderzoekers een manier ontwikkelen om beide sets cellen te dwarsbomen.

Gelaagdheid omhoog

De methode die momenteel wordt gebruikt om deze cellen op afstand te houden, bedekt de nanodeeltjes met een polymeer omhulsel om de eiwitadsorptie te verminderen, waardoor wordt voorkomen dat de deeltjes worden verwijderd.

Polyethyleenglycol-PEG, in het kort:het polymeer wordt veel gebruikt als coating voor nanodeeltjes en een laboratorium van Cheng heeft in zijn eerdere werk gebruikt om coatings te ontwikkelen voor nanodeeltjes die solide tumoren kunnen binnendringen. Onderzoekers hebben aangetoond dat het inzetten van PEG in een dichte, borstelachtige laag kan eiwitten afstoten; en het minder dicht enten, in een vorm waarbij het polymeer meer op paddenstoelen lijkt, kan ook eiwitadsorptie voorkomen.

Maar de Drexel-onderzoekers ontdekten dat het combineren van de twee soorten lagen een coating van nanodeeltjes creëert die zowel eiwitten als de "uitsmijter" -cellen van het immuunsysteem kan dwarsbomen.

"We ontdekten dat er een paddenstoel bovenop een borstel nodig is om nanodeeltjes 'onzichtbaar' in de bloedbaan te houden, " zei Christopher Li, doctoraat, een professor in het College of Engineering en co-auteur van het artikel wiens werk zich richt op het ontwerpen van zachte materialen, zoals polymeren. "Onze hiërarchische tweelaagse benadering is een slimme manier om de voordelen van zowel de borstelconfiguratie, evenals PEG-lagen met een lage dichtheid die paddenstoelen vormen."

In het spel blijven

Het blijkt dat met meer ruimte om uit te spreiden op een nanodeeltjesomhulsel, PEG "paddenstoelen" zwaaien als zeewier dat in water slingert, het maken van nanodeeltjes moeilijk voor macrofagen en lever sinusoïdale endotheelcellen om op te scheppen. De dichte binnenlaag van PEG-borstels doet zijn deel om eiwitten weg te houden, dus een formidabele combinatie om de reis van een nanodeeltje in de bloedbaan te verlengen.

"Voor de eerste keer, we laten zien dat een dynamische oppervlaktestructuur van nanomaterialen belangrijk is voor hun lot in vivo, " zei Hao Zhou, doctoraat, die een doctoraatsstudent was in het laboratorium van Cheng en de hoofdauteur van het artikel.

Met de hiërarchische polymeerlagen die de buitenkant van nanodeeltjes verhullen, Cheng ontdekte dat ze tot 24 uur in de bloedbaan kunnen blijven. Dit is een verdubbeling ten opzichte van de beste resultaten in eerdere onderzoeken naar nanodeeltjes en het betekent dat een groter aantal deeltjes hun uiteindelijke bestemming in tumoren zou kunnen bereiken.

"Deze ontdekking suggereert dat we de optimale PEG-configuratie hebben geïdentificeerd voor het coaten van nanodeeltjes, " zei Wilbur B. Bowne, MD, een kankerchirurg en professor in Drexel's College of Medicine, die hebben bijgedragen aan de krant. "Het verlengen van de circulatietijd tot 24 uur vergroot de mogelijkheden voor het gebruik van nanodeeltjes bij kankertherapie en diagnose."