Nanoskala, tvärbundna polymerställningar kan hjälpa till att leverera en överraskande hög mängd läkemedel med dålig vattenlöslighet till vattenhaltiga mål. Kredit:Elsevier
De enorma doser av läkemedel som krävs för att bekämpa cancer skulle kunna minskas tack vare arbetet från A*STAR-forskare, och själva drogerna kan bli mer effektiva. Forskarna har utvecklat en polymer "ställning" som hjälper läkemedel som ofta har problem med att komma in i blodomloppet, såsom anticancermedel, bildar mycket stabila nanopartiklar med förbättrad biotillgänglighet.
Många mediciner som riktar sig mot tumörceller är gjorda av vattenavvisande kolvätemolekyler, som kräver extra bearbetning eller höga doser för att komma in i vattenbaserade biologiska miljöer. Ett säkrare alternativ är att "nanosize" läkemedel till 10 till 1, 000 nanometer partiklar med antingen mekanisk malning eller speciella kristallisationstekniker. Dessa extra små mediciner glider lätt i vattnet och är effektiva mot tumörer, men det är svårt att hindra dem från att agglomerera till större fällningar med mindre styrka.
Ulrike Wais och Alexander Jackson från A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences och Haifei Zhang vid University of Liverpool har utvecklat ett sätt att minska agglomerationsproblem genom att använda poly(etylenglykol) och akrylamid (PEG-PNIPAM) – biokompatibla polymerer som är mycket vattenlösliga och kan stabilisera vattenavstötande molekyler eftersom de har liknande tensidliknande kolvätekedjor.
Teamet syntetiserade PEG-PNIPAM till "hypergrenade" sfärer som förstärks med korta koltvärbindande molekyler. De blandade sedan sfärerna med testläkemedelsföreningar såsom ibuprofen och blandade ihop dem för att skapa en emulsion mellan de vattenavvisande och vattenattraherande komponenterna.
Nästa steg krävde ett sätt att frystorka emulsionen så att den kunde pulveriseras till nanopartiklar, men detta innebar att lösa ett knepigt bearbetningsproblem. "Om fasseparation inträffar innan provet är helt fruset, läkemedelskristaller bildas som varken är i nanostorlek eller stabiliserade mot agglomeration av ställningen, " förklarar Wais.
Forskarna förhindrade fasseparation under frystorkning genom att säkerställa att emulgeringen var extremt enhetlig innan de sprayade den som små droppar i en pool av flytande kväve. Dynamisk ljusspridning och svepelektronmikroskopianalys av den stelnade emulsionen visade att läkemedlen och polymersfärerna hade integrerats i en porös, ställningsliknande struktur.
Efter att ha malt den frystorkade emulsionen mekaniskt till läkemedelsnanostrukturer, forskarna fann att deras öppna ram gjorde det enkelt att lösa upp dem i vatten. Vidare, läkemedlen kunde omvandlas till nanopartiklar med en avkastning på 100 procent genom att använda förvånansvärt låga nivåer av PEG-PNIPAM-sfärer.
"Polymerstrukturen och förgreningsnivån påverkar direkt stabilisering av läkemedelsnanopartiklar. Denna metod ger oss ett sätt att undersöka det systematiskt, säger Jackson. Han noterar att den här metoden är syntetiskt okomplicerad och kan tillämpas på ett brett spektrum av läkemedel.