Forskare vid University of Texas i Austin har utvecklat nya riktlinjer för tillverkning av gelmaterial i nanoskala, eller nanogeler, som kan leverera många terapeutiska behandlingar för att behandla cancer på ett exakt sätt. Förutom att möjliggöra leverans av läkemedel som svar på tumörer, deras nanogeler kan rikta in sig på maligna celler (eller biomarkörer), bryts ned till icke-toxiska komponenter och utför flera kliniska funktioner.

Den viktigaste egenskapen hos ingenjörsforskarnas nanogeler är deras förmåga att modifieras kemiskt eller "dekoreras" med många bioaktiva molekyler. Dessa modifieringar ger de dekorerade nanogelerna fler olika fysikaliska och kemiska egenskaper än någon annan befintlig teknik, trots deras identiska ursprung. Sådana system, som har potential att skräddarsys för specifika sjukdomar eller till och med enskilda patienter, kan vara ett användbart verktyg för onkologer i framtiden.

I en studie publicerad i senaste numret av Vetenskapens framsteg , forskare vid institutionen för biomedicinsk teknik och McKetta-avdelningen för kemiteknik vid Cockrell School of Engineering beskriver utvecklingen av dessa multifunktionella nanogeler för cancerbehandling. Efter en rad kemiska modifieringar, nanogelerna kan utföra följande samtidigt eller i sekvens:ladda och släppa ut droger, reagerar på unika pH-miljöer, identifiera biomarkörer, omvandlar ljus till terapeutisk uppvärmning och uppvisar nedbrytningsegenskaper.

Forskargruppen, ledd av pionjären Nicholas Peppas, professor vid institutionerna för biomedicinsk teknik och kemiteknik, UT College of Pharmacy och Dell Medical School, genomförde studien under fyra år vid UT:s Institute for Biomaterials, Läkemedelsleverans och regenerativ medicin, som Peppas regisserar.

De syntetiserade och renade nanogeler innehållande karboxylsyror, kemiska funktionella grupper som är vanliga i naturliga biologiska molekyler. Dessa funktionella grupper gjorde det möjligt för forskarna att modifiera, eller kemiskt par, nanogelerna till bioaktiva molekyler, som små molekyler, peptider och proteiner. En kombination av modifieringar behövdes för att skräddarsy nanogelerna för riktad och miljökänslig läkemedelsleverans.

"Ett sätt att tänka på vår nanogel är som en tom duk, " sa John Clegg, som var Ph.D. kandidat i Cockrell School när han arbetade med studien och är för närvarande postdoktor vid Harvard University. "Oberörd, en tom duk är inget annat än lite trä och tyg. Likaså, nanogelen är en enkel struktur (tillverkad av polymersammanfogningsmedel och vatten). När den är modifierad, eller dekorerad, med olika bioaktiva grupper, den behåller aktiviteten för varje tillagd grupp. Så, systemet kan vara ganska enkelt eller ganska sofistikerat."

Teamets modulära tillvägagångssätt – som kombinerar många användbara delar till en enda, större helhet – appliceras ofta på andra tekniska system, inklusive men inte begränsat till robotteknik och tillverkning. Texas Engineering-forskarna har tillämpat liknande logik, förutom på nanoskala, att utveckla sina nanogeler.

Forskarna indikerar att deras arbete också kan fungera som en ritning för "precisionsmedicinska" tillvägagångssätt. Inom precisionsmedicin, en patient behandlas med finjusterade doser av riktade terapier, ordineras i mängder som motsvarar de kända egenskaperna hos en patient och sjukdomen som identifieras i diagnostiska tester.

"Om nanopartikelbärare som våra nanogeler ska vara användbara för precisionsmedicinska tillämpningar, de måste vara tillräckligt anpassningsbara för att matcha varje patients behov, " sa Clegg. "Vi tror att vårt tillvägagångssätt, där en bas nanogel är anpassad till de unika egenskaperna hos en individuell patient och underlättar flera terapeutiska modaliteter, är fördelaktigt i jämförelse med att utveckla många separata plattformar, som var och en ger en enda terapi."

Forskarna tror att deras studie kan fungera som en praktisk guide och proof of concept för forskare som utvecklar material i nanoskala för precisionsmedicinska tillämpningar.