Det här är Marité Cardenas i hennes laboratorium i Köpenhamn. Kredit:Jes Andersen/Köpenhamns universitet
Som om det inte vore illa nog att vara sjuk, det finns också rädsla för frekventa injektioner, biverkningar och överdosering av din medicin. Nu är ett team av forskare från Köpenhamns universitet, Institutionen för kemi, Nanoscience center och Institut Laue-Langevin (ILL), har visat att reservoarer av antivirala läkemedel skulle kunna tillverkas för att binda specifikt till infekterad vävnad såsom cancerceller för långsam koncentrerad leverans av läkemedelsbehandlingar.
Den nya forskningen publiceras i ACS makrobokstäver . Resultaten, från Dr Marité Cárdenas (Köpenhamn) och Dr Richard Campbell och Dr Erik Watkins (ILL), kom som ett resultat av neutronreflektometristudier vid världens ledande neutronkälla i Grenoble, Frankrike. De kan ge ett sätt att minska doser och frekvensen av injektioner som ges till patienter som genomgår en mängd olika behandlingar, samt att minimera biverkningar av överdosering.
Fästningen av reservoarer av terapeutiska läkemedel till cellmembran för långsam diffusion och kontinuerlig leverans inuti cellerna är ett huvudmål i läkemedels-FoU. En lovande kandidat för att packa upp och bära sådana sammansättningar av läkemedel är en grupp självmonterade flytande kristallina partiklar. Består av fettmolekyler kända som fosfolipider och trädliknande makromolekyler som kallas dendrimerer som har många grenar, partiklarna bildas spontant och har kapacitet att suga upp och bära stora mängder läkemedelsmolekyler för långvarig diffusion. De är också kända för sin förmåga att binda till cellmembran.
De första behandlingarna med sådana partiklar är nära marknaden genom produkter som innehåller en liknande formulering som kallas Cubosomes (kubisk fas nanopartiklar). Utvecklad och kommersialiserad av svenska start-upen Camarus Ab, dess FluidCrystal -nanopartiklar lovar månader av läkemedelsleverans från en enda injektion och möjligheten att justera leveransen till intervaller på allt från dagligen till en gång i månaden. Dock, ett nyckelkrav för optimal tillämpning av dessa formuleringar är en detaljerad förståelse av hur de interagerar med cellmembran.
Detta var fokus för arbetet som involverade ett samarbete mellan Dr Marité Cárdenas (Köpenhamn) och Dr Richard Campbell och Dr Erik Watkins (ILL). I detta experiment använde teamet neutroner för att analysera interaktionen mellan de flytande kristallina partiklarna med ett modellcellmembran samtidigt som de varierade två parametrar:
Teamet använde en teknik som kallas neutronreflektometri där strålar av neutroner skummas bort från en yta och den uppmätta reflektionsförmågan används för att sluta sig till detaljerad information om ytan, inklusive tjockleken, detaljerad struktur och sammansättning av alla lager under. Dessa experiment utfördes på FIGARO-instrumentet vid ILL i Grenoble som erbjuder unika reflektionslägen uppåt mot nedåt som gjorde det möjligt för teamet att undersöka de övre och nedre ytorna, alternera proverna på två timmars basis under en 30 timmars provtagningsperiod.
Interaktionen mellan de flytande kristallina partiklarna med membranet visade sig drivas av laddningen på modecellväggen. Subtila förändringar i mängden negativ laddning på membranväggen uppmuntrade de trädliknande dendrimermolekylerna att penetrera genom att låta resten av molekylen binda till ytan, bilda en ansluten reservoar. Interaktionens känslighet för små förändringar i laddningen tyder på att enkla justeringar av andelen laddade lipider och makromolekyler skulle kunna optimera denna process. I framtiden skulle denna egenskap också kunna ge en mekanism för att fokusera behandlingen på målceller som de som är infekterade av cancer som tros ha en mer negativ laddningstäthet än friska celler.
När det gäller gravitationseffekter visade analysen också att aggregaten interagerade företrädesvis med membran endast när de befann sig ovanför provet. Liknande effekter orsakade av olika densitet och flytförmåga hos lösningar utnyttjas redan i vissa magbehandlingar och forskarna skulle uppmuntra framtida studier om hur gravitationseffekter kan användas för att optimera dessa interaktioner för läkemedelstillförsel.
"Cancerceller har en obalans som ger dem en annan molekylär sammansättning och totalt sett olika fysiska egenskaper än normala friska celler", förklarar Dr Cardenas. "Medan alla celler är negativa, cancerceller tenderar att vara mer negativt laddade än friska på grund av en annan sammansättning av fettmolekyler på deras yta. Detta är en egenskap som vi tror skulle kunna utnyttjas i framtida forskning om leveransmekanismer som involverar vidhäftning av lamellära flytande kristallina partiklar. Vårt nästa steg är att introducera själva läkemedlet i reservoarerna och se till att det kan röra sig över membranet. Detta arbete banar väg för celltester och kliniska prövningar i framtiden med utnyttjande av vår metodik "
"Det är naturligtvis inte nytt att partiklar i formuleringar kan sjunka eller flyta, men sådana dramatiskt olika specifika interaktioner av dessa nanobärare med modellmembran av olika orientering överraskade oss helt, säger Dr Campbell. "Mycket små provvolymer används ofta i biomedicinska undersökningar så effekterna av fasseparation kan inte ses. Våra resultat tyder på att laboratorieforskare kan behöva omvärdera sättet på vilket de undersöker effektiviteten hos nyutvecklade formuleringar för att ta hänsyn till starka gravitationseffekter."
Dr Watkins kommenterade vidare:"Denna studie är en perfekt illustration av FIGAROs unika förmåga att ta data från ovan och under horisontella gränssnitt i samma experiment. Inte bara är neutroner unikt känsliga för de lättare elementen som finns i organisk kemi utan förmågan att ta alla data på en gång in situ utan att störa provet är livsviktigt. Dessa biologiska prover förändras alltid subtiliteten under den tid du analyserar dem så det är viktigt att du kan ta dessa data så snabbt som möjligt."
