Ett team av forskare har skapat ett nytt implanterbart läkemedelsleveranssystem med hjälp av nanotrådar som kan styras trådlöst.

Nanotrådarna svarar på ett elektromagnetiskt fält som genereras av en separat enhet, som kan användas för att kontrollera frisättningen av ett förladdat läkemedel. Systemet eliminerar rör och ledningar som krävs av andra implanterbara enheter som kan leda till infektion och andra komplikationer, sa teamledaren Richard Borgens, Purdue Universitys Mari Hulman George professor i tillämpad neurovetenskap och chef för Purdues Center for Paralysis Research.

"Det här verktyget låter oss applicera droger efter behov direkt på skadeplatsen, som kan ha breda medicinska tillämpningar, ", sa Borgens. "Tekniken är i ett tidigt skede av testning, men det är vår förhoppning att detta en dag kan användas för att leverera läkemedel direkt till ryggmärgsskador, sår, djupa benskador eller tumörer, och undvika de fruktansvärda biverkningarna av systemisk behandling med steroider eller kemoterapi."

Teamet testade läkemedelsleveranssystemet på möss med kompressionsskador på ryggmärgen och administrerade kortikosteroiden dexametason. Studien mätte en molekylär markör för inflammation och ärrbildning i centrala nervsystemet och fann att den minskade efter en veckas behandling. Ett dokument som beskriver resultaten kommer att publiceras i ett kommande nummer av Journal of Controlled Release och är för närvarande tillgänglig online.

Nanotrådarna är gjorda av polypyrrol, ett ledande polymermaterial som reagerar på elektromagnetiska fält. Wen Gao, en postdoktor vid Centrum för paralysforskning som arbetat med projektet med Borgens, växte nanotrådarna vertikalt över en tunn guldbas, som små fibrer som utgör en bit av shag matta hundratals gånger mindre än en mänsklig cell. Nanotrådarna kan laddas med ett läkemedel och, när det korrekta elektromagnetiska fältet appliceras, nanotrådarna släpper ut små mängder av nyttolasten. Denna process kan startas och stoppas efter behag, som att vrida på en strömbrytare, genom att använda motsvarande elektromagnetiska fältstimulerande anordning, sa Borgens.

Forskarna fångade och transporterade en lapp av nanotrådsmattan på vattendroppar som användes för att leverera den till skadeplatsen. Nanotrådsfläckarna fäster vid skadeplatsen genom ytspänning, sa Gao.

Det elektromagnetiska fältets storlek och vågform måste ställas in för att erhålla optimal frisättning av läkemedlet, och de exakta mekanismerna som frisätter läkemedlet är ännu inte väl förstått, Hon sa. Teamet undersöker releaseprocessen.

Det elektromagnetiska fältet påverkar sannolikt interaktionen mellan nanomaterialet och läkemedelsmolekylerna, sa Borgens.

"Vi tror att det är en kombination av laddningseffekter och formförändringen av polymeren som gör att den kan lagra och frigöra läkemedel, " sade han. "Det är en reversibel process. När det elektromagnetiska fältet har tagits bort, polymeren snäpper tillbaka till den ursprungliga arkitekturen och behåller de återstående läkemedelsmolekylerna."

För varje olika läkemedel skulle teamet behöva hitta det motsvarande optimala elektromagnetiska fältet för dess frisättning, sa Gao.

Denna studie bygger på tidigare arbeten av Borgens och Gao. Gao var först tvungen att ta reda på hur man odlar polypyrrol i en lång vertikal arkitektur, vilket gör att det kan hålla större mängder av ett läkemedel och förlänger den potentiella behandlingsperioden. Teamet visade sedan att det kunde manipuleras för att släppa ut dexametason på begäran. Ett papper som beskriver arbetet, med titeln "Action at a Distance:Functional Drug Delivery Using Electromagnetic-Field-Responsive Polypyrrole Nanowires, " publicerades i tidskriften Langmuir .

Andra gruppmedlemmar som är involverade i forskningen inkluderar John Cirillo, vem designade och konstruerade det elektromagnetiska fältstimulerande systemet; Youngnam Cho, en tidigare fakultetsmedlem vid Purdue's Center for Paralysis Research; och Jianming Li, en forskarassistent vid centret.

För den senaste studien använde teamet möss som hade modifierats genetiskt så att proteinet Glial Fibrillary Acidic Protein, eller GFAP, är självlysande. GFAP uttrycks i celler som kallas astrocyter som samlas i höga antal vid skador i centrala nervsystemet. Astrocyter är en del av den inflammatoriska processen och bildar en ärrvävnad, sa Borgens.

En 1-2 millimeters lapp av nanotrådarna dopade med dexametason placerades på ryggmärgsskador som hade exponerats kirurgiskt, sa Borgens. Lesionerna stängdes sedan och ett elektromagnetiskt fält applicerades under två timmar om dagen under en vecka. I slutet av veckan hade de behandlade mössen en svagare GFAP-signal än kontrollgrupperna, som inkluderade möss som inte behandlades och de som fick en nanotrådsplåster men som inte exponerades för det elektromagnetiska fältet. I vissa fall, behandlade möss hade ingen detekterbar GFAP-signal.

Huruvida minskningen av astrocyter hade någon signifikant inverkan på ryggmärgsläkning eller funktionella resultat studerades inte. Dessutom, koncentrationen av läkemedel som bibehålls under behandlingen är inte känd eftersom den ligger under gränserna för systemisk detektion, sa Borgens.

"Denna metod tillåter en mycket, mycket liten dos av ett läkemedel för att effektivt fungera som en stor dos precis där du behöver det, "När läkemedlet diffunderar från platsen ut i resten av kroppen är det i mängder som inte går att upptäcka i de vanliga testerna för att övervaka koncentrationen av läkemedel i blodomloppet."

Polypyrrol är ett inert och biokompatibelt material, men teamet arbetar för att skapa en biologiskt nedbrytbar form som skulle lösas upp efter att behandlingsperioden slutade, han sa.

Teamet försöker också öka djupet vid vilket läkemedelsleveransanordningen kommer att fungera. Det nuvarande systemet verkar vara begränsat till ett vävnadsdjup på mindre än 3 centimeter, sa Gao.