Dr. Jie Zheng gelooft dat hij een barrière in een brug heeft veranderd als het gaat om de implementatie van nanogeneeskunde.

De professor in de chemie en zijn onderzoeksteam aan de Universiteit van Texas in Dallas hebben aangetoond dat nanomedicijnen kunnen worden ontworpen om te communiceren met een natuurlijk ontgiftingsproces in de lever om hun ziektedoelstelling te verbeteren en mogelijke bijwerkingen te minimaliseren.

hun studie, gepubliceerd op 15 juli in Natuur Nanotechnologie , wijst op een pad om nanogeneeskunde veiliger en efficiënter te maken.

"Mensen werken al tientallen jaren aan nanogeneeskunde. Het heeft een groot potentieel om de behandeling en detectie van kanker te bevorderen, " zei Zheng, de Cecil H. en Ida Green Professor in Systems Biology Science in de afdeling Chemie en Biochemie aan de UT Dallas. "Maar er zijn ook potentiële gevaren."

Nanogeneeskunde verwijst in grote lijnen naar het gebruik van gemanipuleerde nanodeeltjes, gedefinieerd door hun microscopische afmetingen, voor verschillende gezondheidsgerelateerde doeleinden. De belangrijkste van die rollen zijn de nauwkeurige levering van medicijnen en de detectie van verschillende ziekten.

De lever, het grootste ontgiftingsorgaan in het lichaam, vangt en verwijdert veel stoffen die zowel binnen als buiten het lichaam ontstaan.

"De lever beschermt ons elke dag tegen schade door vreemde materialen, "Zei Zheng. "Maar het is ook een al lang bestaande barrière voor het maken van veilige en effectieve nanomedicijnen die patiënten kunnen gebruiken."

Hoewel veel nanomedicijnen zich in preklinische studies efficiënt op ziekten richten, Zheng zei dat weinigen van hen klinisch gebruik bereiken. Dit is zo omdat, in de lever, macrofagen - een type witte bloedcel - vangen ze op en slaan ze op lange termijn op in het lichaam, hun effectiviteit verminderen en hun toxiciteit verhogen.

"De uitdaging is het maximaliseren van hun behandelingspotentieel en het minimaliseren van bijwerkingen, "zei hij. "Alleen als je beide problemen oplost, kun je dit echt naar de kliniek brengen."

De belangrijkste ontdekking van de onderzoekers, uitgevoerd in een muismodel, is dat een van de natuurlijke toxineverwijderingsprocessen van de lever kan worden gebruikt om de afgifte van nanomedicijnen te verbeteren en ze tegelijkertijd veilig te maken. Dit proces - glutathion-gemedieerde biotransformatie - elimineert de off-target nanomedicijnen, zodat ze het lichaam niet schaden.

"We gebruiken deze biotransformatie in de lever als een manier om de circulerende nanomedicijnen aan te passen, zodat de opname van macrofagen wordt verminderd, " zei Dr. Xingya Jiang, de hoofdauteur van de studie. "Met deze leverbiotransformatie, de nanomedicijnen die het doelwit missen, kunnen effectief worden opgeruimd zonder langdurige accumulatie in het lichaam."

Van deze biotransformatie was eerder bekend dat het vetmoleculen en kleine toxines elimineerde, zoals zware metalen. Maar de interactie met nanomedicijnen was vóór deze studie onduidelijk.

"Levercellen scheiden constant glutathion uit naar de sinusoïde, dat is het capillair in de lever. Deze glutathionuitscheiding, uitstroom genoemd, kan de oppervlaktechemie van nanodeeltjes transformeren, zodat het lichaam ze gemakkelijker kan elimineren, ' zei Zheng.

"In combinatie met andere fysiologische processen, deze efflux kan het transport van nanomedicijnen in het lichaam precies regelen, het verbeteren van hun targeting op de tumor en het verminderen van hun niet-specifieke accumulatie in gezonde weefsels in de tussentijd, " hij zei.

Samen met Dr. Bujie Du, Zheng en Jiang ontwierpen een nanosonde die organische kleurstof gebruikt om te rapporteren hoe de biotransformatie het nanodeeltje verandert en om zowel de targeting als de klaring ervan beter te begrijpen.

Nadat de nanosonde in de lever was afgeleverd, de fluorescentie van de kleurstof werd snel geactiveerd, wat aangeeft dat de kleurstof was gedissocieerd van het nanodeeltje in de lever.

"Het was niet zeker wat er gebeurde toen de nanosonde in de lever kwam, Jiang zei. "We veronderstelden dat er enige interactie in de lever was die de dissociatie veroorzaakte, maar we wisten het niet echt. Nu hebben we gezien hoe het werkt."

Het team valideerde wat er in de lever gebeurt met behulp van nanodeeltjes van een precieze grootte en goed gedefinieerde structuur; in dit geval, de deeltjes bevatten elk 25 goudatomen en vier kleurstofmoleculen. Door precies te weten hoe deze nanodeeltjes waren gestructureerd toen ze het lichaam binnenkwamen, was een nauwkeurige interpretatie mogelijk van hoe ze verschilden toen ze uit het lichaam verdwenen.

"Toen we het in de gaten hielden, we zagen dat de tumortargeting van nanomedicijnen significant toenam in vergelijking met controles, terwijl de resterende nanomedicijnen in normale weefsels werden geminimaliseerd, " zei Zheng. "Vanwege dit atomair nauwkeurige ontwerp, we konden ook ontdekken dat het aminozuur cysteïne ook betrokken is bij dit biotransformatieproces, helpen deze nanodeeltjes in vivo te modificeren."

Zheng benadrukte dat dit onderzoek een nieuwe weg aantoont voor het ontwerpen van nanomedicijnen door gebruik te maken van de natuurlijke reacties van het lichaam.

"De meeste mensen beschouwen de opname door de lever als een barrière voor de toediening van nanomedicijnen - dat de lever ze zal opnemen en voor een lange tijd in het lichaam zal houden. Dit is een nieuwe strategie, " zei hij. "We hebben het levergedrag dat we ooit als een nadeel beschouwden voor klinische vertaling van nanomedicijnen tot een voordeel gemaakt.

"Meer dan alleen een nieuwe strategie bieden, we hopen dat dit ons inspireert om creatieve denkers te zijn, zodat veel barrières in ons onderzoek bruggen kunnen worden naar grotere wetenschappelijke ontdekkingen."