Forskare vid National University of Singapore (NUS) har utvecklat en teknik för att observera, i realtid, hur enskilda blodkomponenter interagerar och modifierar avancerad nanopartikelterapi. Metoden, utvecklat av ett tvärvetenskapligt team bestående av kliniker-vetenskapsassistent Assistant Professor Chester Lee Drum vid Institutionen för medicin vid NUS Yong Loo Lin School of Medicine, Professor T. Venky Venkatesan, Direktör för NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute, och biträdande professor James Kah vid Institutionen för biomedicinsk teknik vid NUS tekniska fakultet, hjälper till att styra utformningen av framtida nanopartiklar för att interagera tillsammans med mänskliga blodkomponenter, så undviker du oönskade biverkningar.

Denna forskning publicerades online i tidskriften Små , en tvärvetenskaplig tidskrift som täcker forskning inom nano- och mikroskala, den 10 september 2015.

Utmaningar med att använda nanopartiklar i diagnostiska system och läkemedelsleveranssystem

Med sin lilla storlek och flera funktioner, nanopartiklar har väckt intensiv uppmärksamhet som både diagnostiska och läkemedelsleveranssystem. Dock, inom några minuter efter att ha levererats i blodomloppet, nanopartiklar är täckta med ett skal av serumproteiner, även känd som ett protein "corona".

"Bindningen av serumproteiner kan väsentligt förändra beteendet hos nanopartiklar, som ibland leder till snabb clearance av kroppen och ett minskat kliniskt resultat, "sade prof Kah.

Befintliga metoder såsom masspektroskopi och diffusionsradieuppskattning, även om det är användbart för att studera viktiga nanopartikelparametrar, inte kan ge detaljerade, realtid bindande kinetik.

Ny metod för att förstå nano-bio-interaktioner

NUS -teamet, tillsammans med extern samarbetspartner professor Bo Liedberg från Nanyang Technological University, visade mycket reproducerbar kinetik för bindningen mellan guldnanopartiklar och de fyra vanligaste serumproteinerna:humant serumalbumin, fibrinogen, apolipoprotein A-1, och polyklonalt IgG.

"Det som var anmärkningsvärt med detta projekt var initiativet från Abhijeet Patra, min doktorand från NUS Graduate School for Integrative Sciences and Engineering, för att förstå problemet, och sammanföra de olika teamen i NUS och utanför för att göra detta till ett framgångsrikt program, "sade Prof Venkatesan." Den viktigaste utvecklingen är användningen av en ny teknik som använder ytplasmonresonans (SPR) -teknologi för att mäta den proteinkorona som bildas när vanliga proteiner i blodomloppet binder till nanopartiklar, " han lade till.

Forskarna immobiliserade först guldnanopartiklarna till ytan av ett SPR -sensorchip med en länkmolekyl. Chippet modifierades speciellt med ett alginatpolymerskikt som både gav en negativ laddning och aktiva ställen för ligandimmobilisering, och förhindrade icke-specifik bindning. Med hjälp av en 6 x 6 mikrofluidisk kanalmatris, de studerade upp till 36 nanopartikel-protein-interaktioner i ett enda experiment, kör testprover tillsammans med experimentella kontroller.

"Reproducerbarhet och tillförlitlighet har varit en flaskhals i studierna av proteinkoronor, "sa Abhijeet Patra." Datakvaliteten och tillförlitligheten beror framför allt på utformningen av bra kontrollförsök. Vår multiplexerade SPR -inställning var därför nyckeln till att säkerställa tillförlitligheten för våra data. "

Testa olika koncentrationer av vart och ett av de fyra proteinerna, the team found that apolipoprotein A-1 had the highest binding affinity for the gold nanoparticle surface, with an association constant almost 100 times that of the lowest affinity protein, polyclonal IgG. 

"Our results show that the rate of association, rather than dissociation, is the main determinant of binding with the tested blood components, " said Asst Prof Drum.

The multiplex SPR system was also used to study the effect of modification with polyethylene (PEG), a synthetic polymer commonly used in nanoparticle formulations to prevent protein accumulation. The researchers found that shorter PEG chains (2-10 kilodaltons) are about three to four times more effective than longer PEG chains (20-30 kilodaltons) at preventing corona formation.

"The modular nature of our protocol allows us to study any nanoparticle which can be chemically tethered to the sensing surface, " explained Asst Prof Drum. "Using our technique, we can quickly evaluate a series of nanoparticle-based drug formulations before conducting in vivo studies, thereby resulting in savings in time and money and a reduction of in vivo testing, " han lade till.

The researchers plan to use the technology to quantitatively study protein corona formation for a variety of nanoparticle formulations, and rationally design nanomedicines for applications in cardiovascular diseases and cancer.