Nanopartiklar har utropats som en potentiell "störande teknologi" inom biomedicin, en mångsidig plattform som kan ersätta konventionell teknik, både som läkemedelstillförselmedel och diagnostiska verktyg.

Först, dock, forskare måste visa att dessa extremt små strukturer sönderfaller i rätt tid, en process som är avgörande för deras prestation och deras förmåga att säkert rensas ut ur en patients kropp efter att deras jobb är klart. En ny studie presenterar en unik metod för att direkt mäta nanopartikelnedbrytning i realtid inom biologiska miljöer.

"Nanopartiklar tillverkas med mycket olika design och egenskaper, men alla av dem måste så småningom elimineras från kroppen efter att de har slutfört sin uppgift, " sa kardiologiforskaren Michael Chorny, Ph.D., från The Children's Hospital of Philadelphia (CHOP). "Vi erbjuder en ny metod för att analysera och karakterisera demontering av nanopartiklar, som ett nödvändigt steg för att översätta nanopartiklar till klinisk användning."

Chorny och kollegor beskrev denna nya metodik i Proceedings of the National Academy of Sciences , publicerad online 3 mars, 2014, och i tidskriftens tryckta nummer den 18 mars.

CHOP-teamet har länge undersökt biologiskt nedbrytbara nanopartiklar för medicinska tillämpningar. Med diametrar som sträcker sig från några tiotal till några hundra nanometer, dessa partiklar är 10 till 1000 gånger mindre än röda blodkroppar (en nanometer är en miljondels millimeter). En stor utmaning är att kontinuerligt övervaka nanopartiklars öde i biologiska modeller och i levande celler utan att störa cellfunktioner.

"Exakt mätning av demontering av nanopartiklar i realtid direkt i media av intresse, såsom det inre av en levande cell eller andra typer av komplex biologisk miljö, är utmanande. Vårt mål här var att utveckla en sådan icke-invasiv metod som ger opartiska resultat, ", sa Chorny. "Dessa resultat kommer att hjälpa forskare att anpassa nanopartikelformuleringar för specifika terapeutiska och diagnostiska tillämpningar."

Studiegruppen använde ett fysiskt fenomen som kallas Förster resonansenergiöverföring, eller FRET, som en sorts molekylär linjal för att mäta avståndet mellan komponenterna i deras partiklar.

För detta, forskarna märkte sina formuleringar med fluorescerande prober som uppvisar strålningsfri överföring av energi, dvs. BAND, när den befinner sig inom samma partikel. Denna process resulterar i ett speciellt fluorescensmönster, ett "fingeravtryck" av fysiskt intakta partiklar, som gradvis försvinner allt eftersom partikeldemonteringen fortskrider. Denna förändring i nanopartikelns fluorescerande egenskaper kan övervakas direkt utan att separera partiklarna från deras miljö, tillåter oförvrängd, kontinuerliga mätningar av deras integritet.

"Molekylerna måste vara väldigt nära varandra, bara några nanometer från varandra, för att energiöverföringen ska ske, ", sade Chorny. "Förändringarna i fluorescensmönstren återspeglar känsligt kinetiken för demontering av nanopartiklar. Baserat på dessa resultat, vi kan förbättra partikeldesignen för att göra dem säkrare och mer effektiva."

Demonteringshastigheten är mycket relevant för specifika potentiella applikationer. Till exempel, vissa nanopartiklar kan bära ett läkemedel avsett för snabb verkan, medan andra bör hålla läkemedlet skyddat och frisatt på ett kontrollerat sätt över tiden. Att skräddarsy formuleringsegenskaper för dessa uppgifter kan kräva noggrann justering av tidsramen för demonteringen av nanopartiklar. Det är här denna teknik kan bli ett värdefullt verktyg, avsevärt underlättar optimeringsprocessen

I den aktuella studien, forskarna analyserade hur nanopartiklar sönderdelade både i flytande och halvflytande media, och i vaskulära celler som simulerar ödet för partiklar som används för att leverera terapi till skadade blodkärl. "Vi fann att demontering sannolikt kommer att ske snabbare tidigt i kärlläkningsprocessen och sakta ner senare. Detta kan få konsekvenser för utformningen av nanopartiklar avsedda för riktade läkemedel, gen- eller cellterapi av vaskulär sjukdom, sa Chorny.

Chorny och kollegor har länge studerat användningen av nanopartiklar formulerade som bärare som levererar antiproliferativa läkemedel och bioterapeutika till blodkärl som utsätts för farlig restenos (återblockering). Många av dessa studier, i Cardiology Research Laboratory av CHOP medförfattare Robert J. Levy, M.D., använda externa magnetfält för att styra järnoxidimpregnerade nanopartiklar till metalliska arteriella stentar, smala byggnadsställningar implanterade i blodkärlen.

Den aktuella forskningen, sa Chorny, samtidigt som det är omedelbart relevant för restenosterapi och magnetiskt styrd förlossning, har mycket bredare potentiella tillämpningar. "Nanopartiklar kan formuleras med kontrastmedel för diagnostisk bildbehandling, eller kan leverera läkemedel mot cancer till en tumör, ", sa han. "Vårt mätverktyg kan hjälpa forskare att utveckla och optimera sina nanomedicinska formuleringar för en rad medicinska användningar."