Många medicinskt inriktade forskare är på jakt efter design som gör det möjligt för läkemedelsbärande nanopartiklar att navigera i vävnader och inuti celler, men ingenjörer från University of Michigan har upptäckt att dessa partiklar har ytterligare ett hinder att övervinna:att fly från blodomloppet.

Läkemedelstillförselsystem lovar precisionsinriktning av sjuk vävnad, vilket innebär att läkemedel kan vara effektivare vid lägre doser och med färre biverkningar. Ett sådant tillvägagångssätt skulle kunna behandla plack i artärer, vilket kan leda till hjärtinfarkt eller stroke.

Läkemedelsbärare skulle identifiera inflammerade kärlväggar och leverera ett läkemedel som tar bort kalkavlagringar, kolesterol och andra ämnen. Eller, bärarna kan söka efter markörer för cancer och döda de små blodkärlen i tumörer, svälter den maligna vävnaden av mat och syre.

Nanopartiklar, som har diametrar under en mikron, eller en tusendels millimeter, tros vara de mest lovande drogbärarna. Omolola Eniola-Adefeso, U-professor i kemiteknik som studerar nanopartiklar i flytande blod, säger att immunförsvaret inte kan bli av med dem snabbt.

"Det är svårt för en vit blodkropp att förstå att den har en nanopartikel bredvid sig, " Hon sa.

Samma små dimensioner tillåter dem att glida genom sprickorna mellan celler och infiltrera cellmembran, där de kan gå till jobbet med att administrera medicin. Men Eniola-Adefeso och hennes team fann att dessa partiklar har en akilleshäl.

Blodkärl är kroppens motorvägar, och när nanopartiklar kommer in i flödet, de har väldigt svårt att nå utgångarna. I alla andra kärl än kapillärer, de röda blodkropparna i rinnande blod tenderar att samlas i mitten.

"De röda blodkropparna sveper de partiklar som är mindre än en mikron i diameter och lägger in dem, " Hon sa.

Instängd bland de röda blodkropparna, nanopartiklarna kan inte nå kärlväggen för att behandla sjukdomar i blodkärlen eller vävnaden bortom.

Med deras senaste arbete, inklusive en studie som nyligen ska publiceras i Langmuir , Eniola-Adefesos team har visat att nanopartikelsfärer möter detta problem i små arterioler och venoler - ett steg upp från kapillärerna - hela vägen upp till centimeterstora artärer.

De upptäckte detta med hjälp av plastkanaler kantade med samma celler som utgör blodkärlens inre. Människoblod, med tillsatta nano- eller mikrosfärer, sprang genom kanalerna, och teamet observerade huruvida sfärerna migrerade till kanalväggarna eller inte och bundna sig till fodret. Forskarna presenterar det första visuella beviset på att få nanosfärer når kärlväggen i blodflödet.

"Innan det arbete vi har gjort, människor opererade under antagandet att partiklar kommer att interagera med blodkärlet någon gång, " sa Eniola-Adefeso.

Medan en relativt liten del av nanosfärerna filtreras ut till blodkärlsväggarna, många fler stannar i blodomloppet och reser över hela kroppen. Att öka nanopartikeldosen ger dålig avkastning; efter att teamet lagt till fem gånger fler nanosfärer till blodproverna, antalet sfärer som band med blodkärlsfodret bara fördubblades.

"Om lokaliserad läkemedelstillförsel är ett viktigt mål, då kommer nanosfärerna att misslyckas, " Hon sa.

Men det är inte bara dåliga nyheter. De röda blodkropparna tenderade att trycka mikrosfärer med diametrar på två mikrometer eller mer mot väggen. Om blodet flödade jämnt, som det gör i arterioler och venoler, eller i pulser, som sker i artärer, de större mikrosfärerna kunde nå kärlväggen och binda till den. När laget lade till fler mikrosfärer i flödet, de såg en proportionell ökning av mikrosfärer på kärlväggen.

Medan mikrosfärer är för stora för att fungera som läkemedelsbärare in i cell- eller vävnadsutrymme på egen hand, teamet föreslog att mikrosfärer kunde transportera nanosfärer till kärlväggen, släpper dem vid bifogning. Men det enklare tillvägagångssättet kan vara nanopartiklar av olika former, som kan fly de röda blodkropparna på egen hand.

Eniola-Adefeso och hennes team experimenterar med stavformade nanopartiklar.

"En sfär har ingen drift, " Hon sa, så nanosfärer kommer inte naturligt att röra sig i sidled ut ur flödet av röda blodkroppar. "När en stav flyter, det driver, och den driften flyttar den närmare kärlväggen."