(Phys.org) – Forskare har utvecklat ett koncept för att potentiellt förbättra leveransen av läkemedel för cancerbehandling med hjälp av nanopartiklar som koncentreras och expanderar i närvaro av högre surhet som finns i tumörceller.
Konceptet innebär att man använder nanopartiklar gjorda av "svaga polybaser, "föreningar som expanderar när de transporteras in i miljöer som efterliknar tumörceller, som har en högre surhet än omgivande vävnader. Forskarna använde sofistikerad modellering för att visa hur partiklarna skulle ackumuleras i regioner med högre surhet och förbli där tillräckligt länge för att leverera läkemedel mot cancer.
"Detta fenomen, som vi kallar pH-fores, kan ge en användbar mekanism för att förbättra leveransen av läkemedel till cancerceller i solida tumörvävnader, " sa You-Yeon Won, en docent i kemiteknik vid Purdue University.
Lösningar med ett pH lägre än 7 sägs vara sura, och de med högre pH är basiska eller alkaliska. pH-foreskonceptet bygger på användning av syntetiska "polymermiceller, "små sfärer för läkemedelstillförsel som innehåller mediciner i sin inre kärna och innehåller ett yttre skal tillverkat av ett material som har visat sig expandera dramatiskt när pH ändras från alkaliskt till surt.
En dubbel storleksökning skulle kunna resultera i en liknande ökning av effektiviteten av läkemedelstillförsel till tumörer.
"En sådan effekt skulle förändra spelet genom att leverera rätt dos av anticancerläkemedel inuti tumörceller, "Won sa. "Detta pH-foreskoncept kan också enkelt kombineras inom andra etablerade läkemedelsleveransmetoder, vilket gör det potentiellt praktiskt för medicinsk tillämpning."
Konceptet beskrivs i en forskningsartikel som kommer att visas i Journal of Controlled Release den 15 juli, och en oredigerad version dök upp online den 19 juni. Uppsatsen skrevs av Won och doktoranden Hoyoung Lee. Fynden visade hur micellernas expansion optimeras i det specifika pH-värdet i tumörceller.
Forskarna visade att den högsta graden av micellsvullnad i tumörer måste inträffa när det finns ett pH på cirka 7,0, plus eller minus 0,5, för optimal leverans av läkemedel till tumörvävnad.
"Solida tumörer har ett betydligt lägre extracellulärt pH, cirka 6,5-6,9, jämfört med normal vävnad, som har ett genomsnittligt pH på 7,4, " sa Won.
De svaga polybaserna i micellerna innehåller molekyler som kallas aminer, som är gjorda av kväve- och väteatomer. Micellerna sväller vid lägre pH på grund av den ökade "protoneringen, " eller tillsats av protoner till kväveatomer i aminerna. Eftersom protonerna är positivt laddade, de lika laddade aminerna stöter bort varandra, får nanopartiklarna att expandera.
Den positiva laddningen bromsar rörelsen av miceller ut ur tumörvävnaden, vilket skulle få nanopartiklarna att ackumuleras inuti tumörmassan tillräckligt länge för att komma in i tumörceller och frigöra läkemedel mot cancer.
"Det här konceptet är enkelt att förstå, men ingen kände igen det tidigare, " sa Won. "Och det tog oss ett tag att sätta denna beskrivning på en matematisk grund. Att göra det, vi var tvungna att modifiera den berömda Ficks första lagdiffusionsekvation."
Lagen, härledd av läkaren och fysiologen Adolf Fick 1855, beskriver hur molekyler diffunderar från områden med hög koncentration till områden med låg koncentration.
Micellerna är också belagda med skyddslack så att de kan förbli intakta tillräckligt länge för att nå tumörställen, där de skulle expandera och sedan brytas ned biologiskt.
Mer forskning behövs för att avgöra hur väl tillvägagångssättet skulle kunna förbättra läkemedelsleveransen, men pH-foreskonceptet som utvecklats av Won och hans student representerar ett steg i utvecklingen av nanomedicinska tekniker för läkemedelsleverans, han sa.
