Metalliska nanomolekyler som kan bära droger till exakt där de behövs kan en dag hjälpa till att behandla patienter med dödlig lungsjukdom.

Forskare baserade vid Imperial College London har testat en ny typ av nanopartiklar som kallas metall organiska ramverk (MOF) – små metallburar mindre än 100 nanometer i diameter som kan laddas med läkemedelsmolekyler – som de tror skulle kunna användas för att behandla patienter med en förödande tillstånd som kallas pulmonell arteriell hypertoni (PAH).

I PAH dras blodkärlen i lungorna ihop och tjocknar, höja blodtrycket och få den högra sidan av hjärtat att arbeta hårdare och hårdare, tills det slutligen misslyckas. Tillståndet är sällsynt men förödande och kan drabba människor i alla åldrar, inklusive spädbarn, unga vuxna och äldre. Patienter i det sena stadiet av sjukdomen har få behandlingsalternativ utöver transplantation, med en genomsnittlig överlevnadstid på cirka fem år efter diagnos.

Även om det inte finns något botemedel mot PAH, befintliga behandlingar fungerar genom att öppna dessa blodkärl. Dessa läkemedel verkar på blodkärlen i hela kroppen, dock, får blodtrycket att sjunka och resulterar i ett antal biverkningar – vilket innebär att dosen som dessa läkemedel kan ges är begränsad.

I deras senaste studie, publicerad online i Lungkretsloppet , den tvärvetenskapliga gruppen vid Imperial beskriver hur den har tagit den första i ett antal steg för att utveckla nanopartiklar som kan leverera läkemedel direkt till lungorna, visar att de grundläggande strukturerna inte är skadliga för celler.

Professor Jane Mitchell, från National Heart and Lung Institute vid Imperial, som ledde forskningen, sade:"Förhoppningen är att användningen av detta tillvägagångssätt i slutändan kommer att möjliggöra höga koncentrationer av läkemedel som vi redan måste leverera till endast kärlen i lungan, och minska biverkningar. För patienter med pulmonell arteriell hypertoni, det kan betyda att vi kan vända det från ett dödligt tillstånd, till en kronisk hanterbar."

Metallburar för läkemedelstillförsel

De små metalliska strukturerna – sammansatta av järn – gjordes i labbet av professor Paul Lickiss och Dr Rob Davies, från Institutionen för kemi och av Dr Nura Mohamed under sina doktorandstudier vid Imperial. Dr Mohamed, som finansierades av Qatar Foundation, gjort strukturerna så att befintliga läkemedel som används för att behandla PAH kunde passa in i dem.

Dessa strukturer testades i mänskliga lungceller och blodkärlceller, som odlades från stamceller i blodet hos patienter med PAH. Teamet fann att strukturerna minskade inflammation och inte var giftiga för cellerna.

Ytterligare tester visade att MOF:erna var säkra på råttor, med djur som injicerats med MOF under en tvåveckorsperiod som visade få biverkningar – förutom en liten ansamling av järn i levern.

"En av de största begränsningarna inom nanomedicin är toxicitet, några av de bästa nanomedicinska strukturerna klarar sig inte förbi de inledande utvecklingsstadierna eftersom de dödar celler, ", sa professor Mitchell. "Vi gjorde dessa prototyper av MOF, och har visat att de inte var giftiga för en hel rad mänskliga lungceller."

MOF är ett intresseområde för nanomedicin, med ingenjörer som syftar till att utveckla dem som bärare som kan hålla narkotikalast, släpper den under särskilda förhållanden, såsom förändringar i pH, temperatur, eller till och med när nanostrukturerna dras till målområdet av magneter utanför kroppen.

Utöver upptäckten att deras järnnanostrukturer var giftfria, teamet tror att MOF kan ha ytterligare terapeutiska egenskaper. Det fanns bevis som tyder på antiinflammatoriska egenskaper, med MOFs som minskar nivåerna av en inflammatorisk markör i blodkärlen, kallas endotelin-1, vilket gör att artärerna drar ihop sig. Dessutom, järn är också ett kontrastmedel, vilket betyder att det skulle dyka upp på skanningar av lungorna för att visa var drogen nått.

MOF har ännu inte testats på patienter, men nästa steg är att ladda de små metalliska strukturerna med droger och hitta det bästa sättet att få dem att rikta sin last till lungorna. Forskarna är övertygade om att om de lyckas, tillvägagångssättet skulle kunna gå över till prövningar för patienter, med en drogkandidat redo att testas inom de kommande fem åren. MOF:erna kan potentiellt levereras av en inhalator till lungan, eller administreras genom injektion.

"I den här studien har vi bevisat principen att denna typ av bärare har potential att laddas med ett läkemedel och riktas mot lungan, " förklarade professor Mitchell. "Detta är grundläggande forskning och även om just denna MOF kanske inte är den som gör det till ett läkemedel för att behandla PAH, vårt arbete öppnar upp för idén att denna sjukdom bör övervägas med en ökad forskningsinsats för riktad läkemedelsleverans."