(Phys.org) - När området för nanomedicin mognar, en framträdande punkt har varit vilken form nanopartiklar ska ha för att leverera sina läkemedel eller DNA -nyttolaster mest effektivt.

Ett par nya artiklar av forskare vid The Methodist Hospital Research Institute (TMHRI) och sex andra institutioner föreslår att dessa mikroskopiska arbetshästar borde vara skivformade, inte sfärisk eller stavformad, när man riktar cancer mot eller nära blodkärl.

"De allra flesta - kanske 99 procent - av det arbete som görs just nu använder nanopartiklar som är sfäriska, "sa TMHRI biomedicinsk ingenjör Paolo Decuzzi, Ph.D., huvudutredare för båda projekten. "Men bevis visar att det kan finnas bättre sätt att få kemoterapimedicin till platsen för en kärlbildande cancer."

Trots deras popularitet, det finns problem med sfärformade nanopartiklar. De är små, och kan inte leverera många droger när de äntligen når sina mål. Och de är också mer benägna att bli pressade nedströms av blodets kraftfulla flöde.

"Den lilla yta som exponeras av sfäriska nanopartiklar för blodkärlens väggar - teoretiskt sett en enda punkt - i tumörvävnaden kan inte stödja stabil, fast vidhäftning och de tvättas lätt bort. Och detta hämmar deras effektiva ackumulering i den sjuka vävnaden, "Decuzzi sa." Så ett antal laboratorier har frågat, hur kan vi maximera ackumuleringen av nanopartiklar i de sjuka vävnaderna? Finns det en bättre form? "

I augusti 2012 biomaterial (Elsevier, nu online), Decuzzi och medförfattare visar att vid olika biologiskt relevanta flödeshastigheter, skivformade nanopartiklar var mindre benägna att bli skjutna av sina mål än stavformade nanopartiklar-en annan form som tidigare föreslogs som ett alternativ till sfärer. Den idealiska storleken var 1, 000 x 400 nanometer (diameter efter tjocklek). Experimenten utfördes in vitro och bekräftades genom beräkningsmodellering.

Sfäriska nanopartiklar är byggda kring läkemedelsnyttolasten i en gratis, tredimensionellt sätt genom självmontering. Partikeln växer jämnt i alla riktningar, bildar en sfärisk - eller nästan sfärisk - nanopartikel.

Metodistgruppen för nanomedicin, ledd av TMHRI:s VD och koncernchef Mauro Ferrari, Ph.D., har utvecklat en helt annan teknik. Skivformade nanopartiklar skapas med fotolitografisk teknik, samma verktyg som används för att göra de minsta komponenterna i datorer. Fotolitografi tillåter Ferrari, Decuzzi, och kollegor för att ange storleken, form och ytegenskaper hos nanopartiklarna med stor noggrannhet. Nanopartiklarna är byggda med svampliknande hål genom dem, det är där drogerna laddas.

"Vi kan ändra storleken, form, och ytegenskaper - '3S' parametrar - för partiklarna oberoende av varandra, "Decuzzi sa." Det är en mycket kraftfull teknik. "

Nanopartiklarna är byggda med kisel, och biologiskt relevanta molekyler fästs senare på utsidan för att förbättra bindningen till målceller och fördröja förstörelse av immunsystemet. Kisel har en extremt låg toxicitetsprofil vid de doser som vanligtvis används i människor och djurmodeller. Decuzzi sa att kiselnanopartiklar lätt bryts ner och avlägsnas från kroppen inom 24 till 48 timmar.

Den andra uppsatsen publicerad av Decuzzi och kollegor, i februari 2012 Journal of Controlled Release (även Elsevier), använde musmodeller för att visa att 1, 000 x 400 nm skivformade nanopartiklar binder lätt till och nära melanomceller, vid 5 till 10 procent av den injicerade dosen per gram organ - koncentrationer som är konkurrenskraftiga med eller bättre än de som tidigare rapporterats för sfäroida nanopartiklar. Forskarna visade också att 1000 x 400 nm skivor var minst troliga (än mindre eller större skivor, eller stavar) för att hamna i levern.

"Dessa två papper är kulmen på åtta års arbete, tittar på skivans egenskaper, stång-, och sfäriska nanopartiklar i datasimuleringar, in vitro, och sedan in vivo, "Decuzzi sa." Det som har varit mest givande är att alla viktiga saker vi förutspådde via matematiska modeller visade sig vara sanna i verkliga experiment. Vi håller på att besvara viktiga frågor om hur dessa nanopartiklar behöver se ut. "

Decuzzi säger att hans grupp kommer att fortsätta arbeta med optimering av nanopartiklar och, särskilt, kommer att titta på vad han kallar "4S" -problemet. Efter att ha fastställt rätt storlek, form, och ytkemi, Decuzzi säger att han vill se om rätt styvhet, eller flexibilitet, kan ytterligare förbättra in vivo -prestanda för nanopartiklar.