(Phys.org) - En ny metod för att hitta och leverera läkande läkemedel till nybildade mikrosprickor i ben har uppfunnits av ett team av kemister och bioingenjörer vid Penn State University och Boston University. Metoden innebär riktad leverans av läkemedlen, direkt till sprickorna, på baksidan av små självdrivna nanopartiklar. Energin som driver motorerna i nanopartiklarna och skickar dem som rusar mot sprickan kommer från en överraskande källa - själva sprickan.

"När en spricka uppstår i ett ben, det stör mineralerna i benet, som läcker ut som laddade partiklar - som joner - som skapar ett elektriskt fält, som drar de negativt laddade nanopartiklarna mot sprickan, "sade Penn State Professor i kemi Ayusman Sen, en ledare för forskargruppen. "Våra experiment har visat att en biokompatibel partikel snabbt och naturligt kan leverera ett osteoporosläkemedel direkt till ett nysprickat ben."

Sen sa att bildandet av denna typ av elektriska fält är ett välkänt fenomen, men andra forskare hade tidigare inte använt den som både en kraftkälla och en ledstjärna för att aktivt leverera benläkande mediciner till de platser som löper mest risk för fraktur eller aktiv försämring. "Det är ett nytt sätt att upptäcka sprickor och leverera läkemedel till dem, "säger teamets ledare och professor vid Boston University Mark Grinstaff.

Metoden är mer energisk och mer riktad än nuvarande metoder, där mediciner kör passivt på det cirkulerande blodomloppet, där de kanske kommer till mikrosprickor i en tillräckligt hög dos för att påbörja läkning. Den nya metoden lovar att behandla - så snart de bildas - mikrosprickor som leder till brutna ben hos patienter med osteoporos och andra medicinska tillstånd.

För att hitta ett sätt att läka mikrosprickor innan de växer till pauser, Sen och hans doktorand Vinita Yadav samarbetade sitt kemilaboratorium med Grinstaffs kemi/biomedicinska laboratorium. Forskarna gjorde sedan en rad experiment i vart och ett av sina laboratorier. Ett vetenskapligt papper som beskriver dessa experiment publiceras denna månad i den internationella kemitidsskriften Angewandte Chemie .

Sen och Yadavs första serie experiment testade sitt nya sätt att leverera läkemedel i ett modellsystem med ben från en mänsklig skenben och lårben och mycket små fluorescerande partiklar som kallas kvantprickar gjorda av ett syntetiskt material. Sen sa, "Vi lade till fluorescens till dessa partiklar eftersom fluorescens gör dem så lätta att se under ett mikroskop." Denna första testserie visade att negativt laddade kvantprickar gjorde, verkligen, röra sig mot och stapla upp på en nybildad spricka.

Forskarna testade sedan sitt system med hjälp av ett naturligt biologiskt material - en proteinmolekyl - för att se om det skulle fungera på mänskligt ben såväl som om de syntetiska kvantprickarna uppförde sig. Resultaten av dessa tester var uppmuntrande. Så laget under ledning av Sen och Grinstaff satte ribban ännu högre, gör sina nästa uppsättning experiment med nanomotorer gjorda av både ett biologiskt material och ett syntetiskt material. De ville se om de kunde fästa det biologiska materialet - ett läkemedel som används för att behandla osteoporos - på ett syntetiskt material som kan bära det, som en nanotruck, till en spricka i ett mänskligt ben. Det syntetiska material som forskarna valde för att bära osteoporosläkemedlet (polymjölk-ko-glykolsyra) har godkänts av Federal Drug Administration och används i stor utsträckning inom medicintekniska produkter. Målet med denna uppsättning experiment var att göra en självdriven nanotruck som kunde bära osteoporosläkemedlet (natriumalendronat) och skulle ha en god chans att vara säker att använda inne i människokroppen.

Liksom nanopartiklarna i de tidigare testerna, det FDA-godkända nanotruckmaterialet hade en liten fluorescerande molekyl fäst vid den så att dess rörelser kunde ses under ett mikroskop. "Våra experiment visar att denna biosäkra nanomotor kan, faktiskt, framgångsrikt bära osteoporosläkemedlet till en ny spricka i ett mänskligt ben, Sa Sen. Han förklarade att även när dessa nanomotorer var laddade med miljontals molekyler av deras benläkande last, var och en var fortfarande 30 till 40 gånger mindre än en röd blodkropp.

I en sista uppsättning experiment, gjort i Grinstaff -labbet vid Boston University, doktorand Jonathan Freedman testade samma osteoporosläkemedel på levande mänskliga benceller. "De behandlade bencellerna ökade i antal jämfört med de som inte behandlades med osteoporosläkemedlet, som bekräftar andra studier som har visat att detta läkemedel är effektivt för att reparera mänskliga ben, "Sa Grinstaff.

"Det som gör våra nanomotorer annorlunda är att de aktivt och naturligt kan leverera mediciner till ett riktat område, "Sa Sen." Nuvarande metoder, i kontrast, involvera att ta ett läkemedel och hoppas att tillräckligt mycket av det når dit det behövs för läkning. "Nu när detta nanomotor-drivna läkemedelsleveranssystem har börjat, det kommer att behöva många fler tester och mycket vidare utveckling innan det kan bevisas säkert och effektivt för att förebygga brutna ben hos patienter med tillstånd som osteoporos.