Wetenschap
Wetenschappers leren van rupsen hoe ze zelfassemblerende capsules kunnen maken voor medicijnafgifte
Zelfassemblerende moleculen die zichzelf spontaan organiseren om complexe structuren te vormen, komen veel voor in de natuur. De harde buitenste laag van insecten, de cuticula genaamd, is bijvoorbeeld rijk aan eiwitten die zichzelf kunnen assembleren.
Zelfassemblage is een kosteneffectieve, ecologisch duurzame en snelle manier om nanostructuren te vervaardigen met kritische toepassingen in verschillende industrieën, variërend van therapieën tot zelfreplicerende machines.
Door gebruik te maken van het zelfassemblerende vermogen van eiwitten uit de nagelriemen van de rupsen van de Aziatische maïsboordermot (Ostrinia furnacalis), hebben wetenschappers van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) capsules van nanoformaat gemaakt die kunnen worden gebruikt om medicijnen en messenger-RNA (mRNA) af te leveren. mRNA is een molecuul dat cellen de opdracht geeft eiwitten te produceren en is gebruikt in COVID-19-vaccins.
De Aziatische maïsboordermot, gevonden in regio's van China tot Australië, is een landbouwplaag die maïsgewassen vernietigt, waarbij de rupsen de schade veroorzaken. De cuticula van de kop van de rups beschermt hem en geeft hem unieke mechanische eigenschappen.
De onderzoekers analyseerden de eiwitten in de cuticula van de hoofden van de Aziatische maïsboorderrupsen om ketens van aminozuren te identificeren, bekend als peptiden, die zich onafhankelijk tot geordende structuren konden assembleren.
Ze screenden de eiwitten op peptiden die dezelfde reeks aminozuren bevatten die zich drie of meer keren herhaalden, waarbij elke sequentie uit ten minste vijf aminozuren bestond. Vanwege de interacties tussen de zich herhalende aminozuren zullen peptiden met deze eigenschap waarschijnlijk zelfassemblage ondergaan.
De wetenschappers hebben uit hun analyse drie peptiden geïdentificeerd die zichzelf kunnen assembleren om holle nanocapsules te vormen.
Het onderzoek werd geleid door Assoc Prof Yu Jing van NTU's School of Materials Science and Engineering, voormalig NTU Distinguished University Professor Gao Huajian (nu Xinghua University Professor aan de Tsinghua University), Prof Liu Tian van Dalian University of Technology en Prof Yang Qing van de Chinese Academie voor Landbouwwetenschappen.
De onderzoekers vragen een patent aan voor hun innovatie, op basis van hun onderzoeksresultaten gerapporteerd in Nature Nanotechnology in april 2024.
Vergeleken met conventionele medicijntoedieningsmethoden zijn de nanocapsules niet giftig en kunnen ze op efficiënte wijze verschillende medicijnen met verschillende eigenschappen afleveren.
Zelfassemblerende nanocapsules geïnspireerd door de natuur
Het zelfassemblageproces wordt aangedreven door verschillen in chemische concentraties, waardoor de peptiden als Legoblokjes bij elkaar komen en stabiele structuren vormen.
De wetenschappers creëerden synthetische versies van de natuurlijke zelfassemblerende peptiden die in de rupsen worden aangetroffen en losten elk peptide op in water. Vervolgens voegden ze het organische oplosmiddel aceton toe aan de peptideoplossingen om zelfassemblage te initiëren.
De onderzoekers ontdekten dat de zelfassemblage van de peptiden in twee fasen plaatsvindt. Ten eerste vormde de peptideoplossing onmiddellijk druppeltjes wanneer aceton werd toegevoegd. Vervolgens creëert de diffusie van aceton in de druppeltjes en water uit de druppeltjes een concentratiegradiënt op het grensvlak van de druppeltjes die de peptiden ertoe aanzet zich te assembleren tot velachtige structuren die bètavellen worden genoemd, en uiteindelijk bolvormige holle nanocapsules vormen. Het hele proces vindt plaats binnen 10 minuten na het eerste mengen.
De wetenschappers konden ook de grootte van de nanocapsules verfijnen door de verhouding van peptiden tot isoforondiisocyanaat aan te passen. Deze verbinding verbindt de peptiden met elkaar om de nanocapsules te stabiliseren.
"Voor zover wij weten is dit de eerste keer dat peptidenanocapsules zijn gemaakt zonder sjablonen, wat de weg vrijmaakt voor een aanpasbaar medicijnafgiftesysteem", aldus Assoc Prof Yu.
"Onze peptidenanocapsules openen de deur naar verschillende potentiële biomedische toepassingen, zoals medicijnafgifte en gentherapie."
Een veelzijdig medicijnafgiftesysteem
De onderzoekers toonden aan dat de nanocapsules kunnen worden gebruikt om ‘lading’ zoals chemotherapiemedicijnen en antilichamen op te vangen en af te leveren. Door de peptideketens te modificeren, konden ze de nanocapsules ook gebruiken om mRNA af te leveren.
De nanocapsules met medicijnen en mRNA waren niet giftig en werden met succes door verschillende cellen opgenomen.
"Door het gedrag van zelfassemblerende peptiden in de natuur te begrijpen, kunnen we ze zo ontwikkelen dat ze een grote verscheidenheid aan medicijnen en therapeutische verbindingen opleveren", zegt Dr. Li Haopeng, een onderzoekscollega van de NTU's School of Materials Science and Engineering en eerste auteur van de studie.
"We ontdekken niet alleen de geheimen van zelfassemblage, maar vertalen ze ook naar praktische oplossingen die ons leven ten goede kunnen komen", zegt Dr. Qian Xuliang, een research fellow van NTU's School of Mechanical and Aerospace Engineering en co-eerste auteur van de studie.
In de volgende stap zullen de onderzoekers onderzoeken hoe technologieën op het gebied van kunstmatige intelligentie, zoals machinaal leren, automatisch andere natuurlijke, zelfassemblerende peptiden kunnen identificeren.