Om medicijndeeltjes op de juiste plaats in het lichaam af te leveren - een gebied dat bekend staat als nanomedicine - speelt selectiviteit een belangrijke rol. Ten slotte, het medicijn hoeft zich alleen maar te hechten aan de cellen die het nodig hebben. Een theorie uit 2011 voorspelt dat selectiviteit niet alleen gebaseerd is op het type receptor, maar ook op het aantal en de sterkte van de receptoren op de cel. Dat bewijzen onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven nu experimenteel. Ze hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift PNAS .

Cellen interageren met elkaar via receptoren en liganden. Ze passen op elkaar als een sleutel in een slot; een ligand van de ene cel past alleen op de juiste doelreceptor van de andere cel. De nanogeneeskunde maakt hier gebruik van door liganden na te bootsen die passen bij de receptoren van de zieke cel die het medicijn nodig heeft.

In 2011, Daan Frenkel en zijn groep in Cambridge gebruikten een theoretisch model om te voorspellen dat niet alleen het type liganden en receptoren een grote rol spelen, maar ook het aantal en de sterkte. Dit betekent dat zelfs zwakke liganden kunnen binden, zolang er voldoende receptoren op het oppervlak van de doelcel aanwezig zijn. Onderzoekers Max Scheepers, Leo van IJzendoorn, en Menno Prins, allemaal onderdeel van het Instituut voor Complexe Moleculaire Systemen, hebben deze theorie nu voor het eerst experimenteel bewezen met deeltjes.

Veel zwakke bindingen worden sterk

Van IJzendoorn:"Vergelijk het met klittenband. Als één haak wordt vastgemaakt, de strip plakt niet direct. Pas als er meerdere haken zijn vastgemaakt, wordt de verbinding sterk genoeg. Zo werkt het ook in het menselijk lichaam; de zwakke binding van een ligand aan een receptor wordt enorm sterk naarmate er meer zijn."

En dat is een handige functie voor nanogeneeskunde. Zieke cellen hebben niet altijd andere receptoren dan gezonde cellen, maar ze hebben vaak meer receptoren op hun celwanden. Door het medicijn zo te ontwikkelen dat het alleen hecht aan cellen met veel receptoren, je kunt nog steeds onderscheid maken tussen zieke en gezonde cellen. Dit maakt het mogelijk om de medicijndeeltjes nauwkeuriger naar de zieke cellen in het lichaam te sturen.

Enkelstrengs DNA als receptor en ligand

“We hebben nu met deeltjes experimenteel aangetoond dat veel zwakke liganden een hoge selectiviteit geven:de deeltjes binden alleen als er precies genoeg receptoren aanwezig zijn. Hierdoor ontstaat een drempelwaarde, ", legt Van IJzendoorn uit. De onderzoekers hebben hiervoor een bindend experiment uitgevoerd, het ontwerpen van deeltjes met ofwel receptor-DNA of ligand-DNA op het oppervlak.

Een magnetisch veld trok eerst de deeltjes naar elkaar toe, en na een tijdje, hen vrijgelaten. Van IJzendoorn:"Hierdoor konden we optisch meten hoeveel deeltjes een sterke moleculaire binding met elkaar hadden ontwikkeld."

Door het aantal DNA-moleculen en de sterkte van de ligand-receptorbinding te variëren, niet alleen konden de onderzoekers zien hoeveel bindingen er nodig waren om de deeltjes aan elkaar te laten binden, maar ook om het ontstaan ​​van de drempelwaarde te observeren.

Nanogeneeskunde en biosensoren

Van IJzendoorn zegt, "Deze resultaten vormen een nieuwe maatstaf voor het begrijpen en toepassen van selectiviteit in biomedische toepassingen. Het werk biedt een fundamentele basis voor het ontwerp van bindingsprocessen in nanogeneeskunde. Bovendien, het is belangrijk voor de ontwikkeling van nanotechnologische biosensoren, omdat in deze systemen ook deeltjes worden gebruikt voor het tot stand brengen van selectieve bindingen."

Dit onderzoek is op 24 augustus gepubliceerd in het tijdschrift PNAS , getiteld "Multivalente zwakke interacties verbeteren de selectiviteit van binding tussen deeltjes." Het onderzoek is uitgevoerd aan de Technische Universiteit Eindhoven, bij de faculteiten Technische Natuurkunde en Biomedische Technologie en het Instituut voor Complexe Moleculaire Systemen.