Als het gaat om het toedienen van medicijnen aan het lichaam, is het een grote uitdaging ervoor te zorgen dat ze in het te behandelen gebied blijven en hun lading accuraat blijven afleveren. Hoewel er grote vooruitgang is geboekt bij het leveren van medicijnen, is het monitoren ervan een uitdaging die vaak invasieve procedures zoals biopsieën vereist.

Onderzoekers van NYU Tandon onder leiding van Jin Kim Montclare, hoogleraar chemische en biomoleculaire technologie, hebben eiwitten ontwikkeld die zichzelf kunnen assembleren tot vezels die kunnen worden gebruikt als therapeutische middelen voor de mogelijke behandelingen van meerdere ziekten.

Deze biomaterialen kunnen therapieën voor een groot aantal ziekten inkapselen en leveren. Maar hoewel het laboratorium van Montclare lang heeft gewerkt aan de productie van deze materialen, was er ooit een uitdaging die moeilijk te overwinnen was:hoe konden we ervoor zorgen dat deze eiwitten hun therapieën gedurende de benodigde tijd op de juiste locatie in het lichaam bleven afleveren.

Dat blijkt uit een recente studie gepubliceerd door het tijdschrift ACS Applied Nano Materials , kon haar laboratorium biomaterialen maken die gefluoreerd waren. Dankzij deze fluorering kunnen ze worden gemonitord door eenvoudige FMRI-scans, waardoor medische professionals ervoor kunnen zorgen dat de medicijnen op de behandelingsgebieden blijven door middel van niet-invasieve beeldtechnologie..

Het materiaal bestaat uit natuurlijke eiwitten, maar het onderzoeksteam introduceerde het niet-natuurlijke aminozuur trifluorleucine. Omdat fluor zeldzaam is in het lichaam, kunnen de biomaterialen oplichten als een kerstdisplay wanneer het lichaam aan een 19FMRI-scan wordt onderworpen.

"Als theranostisch middel kan het niet alleen een therapeutisch effect hebben op bijvoorbeeld kanker of gewrichtsaandoeningen, maar we kunnen nu ook zien dat het nog steeds op zijn plaats in het lichaam aanwezig is en de medicatie vrijgeeft waar het hoort", zegt Montclare. "Het elimineert de noodzaak van invasieve operaties of biopsieën om te zien wat er aan de hand is."

Het laboratorium van Montclare doet baanbrekend onderzoek naar het construeren van eiwitten die de natuur nabootsen en, in sommige gevallen, beter werken dan de natuur. Ze werkt aan het aanpassen van kunstmatige eiwitten met als doel zich te richten op menselijke aandoeningen, medicijnafgifte en weefselregeneratie, en om nanomaterialen voor elektronica te creëren. Door het gebruik van chemie en genetische manipulatie heeft ze bijdragen geleverd aan ziekten variërend van COVID-19 tot artrose en nog veel meer.

Deze doorbraak maakt gebruik van dezelfde aminozuren en eiwitten die kenmerkend zijn voor veel van Montclare's onderzoek. Omdat ze gemaakt zijn van organische materialen, kan het lichaam ze afbreken zonder enige vorm van nadelige effecten, wanneer ze hun werk hebben gedaan en therapieën hebben geleverd.

Dit onderscheidt het van andere behandelingen waarbij niet-organische materialen worden gebruikt die een ernstige immuunreactie of andere reacties kunnen veroorzaken. In combinatie met de fluoreringstechniek zouden deze materialen een behandeling kunnen bieden voor gelokaliseerde ziekten die veel minder invasief kunnen zijn dan de huidige behandelingen en die veel gemakkelijker en minder verstorend te monitoren zijn.

Montclare werkte voor dit onderzoek nauw samen met de faculteit Geneeskunde van de NYU School, waaronder co-corresponderende auteur Youssef Z. Wadghiri van de afdeling Radiologie, en Richard Bonneau van het Flatiron Institute.

Het team van Montclare toonde hun onderzoek in muismodellen, maar ze wil nu al experimenteren met muizen met specifieke aandoeningen om de mogelijkheden van het eiwit om ziekten te behandelen te bewijzen.

De zelfassemblerende eiwitten die het team van Montclare gebruikte, zijn slechts een deelverzameling van waar zij en haar laboratorium aan werken. In een ander artikel gepubliceerd in Biomacromolecules , kon haar laboratorium computationeel ontwerp gebruiken om eiwitten te maken die hydrogels konden vormen, dankzij een programma geschreven door haar Ph.D. student Dustin Britton.

Deze hydrogels hebben verschillende overgangstemperaturen:de temperatuur waarbij de gels gegeleerd kunnen blijven zonder op te lossen of onstabiel te worden. Voorheen lag de bovengrens van de gelering rond de 17° Celsius. Voor biomedische toepassingen was dit niet optimaal, omdat het zou smelten als het de menselijke lichaamstemperatuur naderde. Door het gebruik van zijn computergestuurde eiwitten kon Britton deze limiet opschuiven naar 33,6° Celsius.

Vanwege deze nieuwe stabiliteit kunnen de eiwitten die Britton en Montclare hebben ontworpen, worden gebruikt voor plaatselijke behandelingen, waaronder het genezen van wonden. En naast de verhoogde hittetolerantie kan het nieuwe eiwit veel sneller geleren dan eerdere versies, waardoor het veel efficiënter en bruikbaarder is voor medische toepassingen.

Terwijl ze de temperatuur verschoof, kon Britton ook een eiwit ontwerpen dat ook fluorescerend is, wat betekent dat het hetzelfde potentieel voor visualisatie heeft als de gefluoreerde eiwitten in hun andere onderzoek. Hierdoor kunnen artsen de aanwezigheid ervan in wonden controleren en ervoor zorgen dat het zijn therapeutische lading levert. En de gel heeft dezelfde voordelen als de eiwitten uit het laboratorium die bedoeld zijn voor intern gebruik, in die zin dat de gel met weinig tot geen nadelige gevolgen kan worden afgebroken en in het lichaam kan verdwijnen.

Brittons computermodel doet meer dan alleen het ontwerpen van dit specifieke eiwit. Volgens Monclare wordt het vakgebied van biomaterialen die met eiwitten zijn ontwikkeld lange tijd gedomineerd door vallen en opstaan:het testen van hypothetische ontwerpen in de hoop te zien of ze stabiel zullen zijn. Maar het model van Britton was in staat om consistent succesvolle gels te creëren, sequenties te genereren met een extreem hoog succespercentage en nieuwe eiwitten te creëren met nieuwe eigenschappen voor potentieel therapeutisch gebruik.

"Voor de productie van biomaterialen zal dit absoluut versnellen wat we kunnen maken", zegt Montclare. "Zoals het traditioneel wordt gedaan, breng je rationele veranderingen aan en kijk je of het werkt, en in 90 procent van de gevallen werkt dat niet. Met dit nieuwe model werken ze allemaal, en dan kunnen we uit de beste kiezen. dat werkt. Het zal een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we biomaterialen maken."

In het laboratorium van Monclare heeft dit de manier veranderd waarop ze in de toekomst nieuwe eiwitten en materialen zullen creëren - er is geen weg meer terug naar de rationele iteratiepraktijk die zo'n hoog percentage mislukkingen kende. En het zal zeker de productie versnellen van revolutionaire biomaterialen die binnenkort een aantal van de ernstigste medische aandoeningen ter wereld zullen genezen.

Meer informatie: Dustin Britton et al., Op eiwit gebaseerde vezels voor het inkapselen van medicijnen, traceerbaar via 19F magnetische resonantie, ACS toegepaste nanomaterialen (2023). DOI:10.1021/acsanm.3c04357

Dustin Britton et al, Computationele voorspelling van de gelatiedynamiek en structuur van Coiled-Coil Protein, Biomacromolecules (2023). DOI:10.1021/acs.biomac.3c00968

Journaalinformatie: Biomacromoleculen

Aangeboden door NYU Tandon School of Engineering