Forskare designar material som är tusen gånger mindre än bredden på ett hårstrå.

Kända som nanomaterial eller nanopartiklar, vissa kan hjälpa till att behandla sjukdomar.

Dock, konstruktionen av partiklar för biomedicinska tillämpningar är fortfarande utmanande, speciellt när man flyttar från provröret till biologiska miljöer.

Detta är en fråga som vi diskuterade i en ny papper. En nanopartikel i labbet är en sak, men en nanopartikel som interagerar med blod, celler och vävnader är en annan, och partiklarnas beteende kan förändras avsevärt när man flyttar från en miljö till en annan.

"Bio-nano-interaktioner" är det som styr dessa förändringar i beteende, och detta är ett forskningsområde med många svårigheter, men också betydande belöningar.

Använda nanopartiklar för att rikta in sig på sjukdomar

Nanopartiklar kan hjälpa till att skapa effektivare medicinska behandlingar. Syftet är att förbättra områden som sträcker sig från läkemedelsleverans till upptäckt av sjukdomar.

En av de potentiella fördelarna med nanopartiklar är möjligheten att utveckla riktade terapier, så att droger går precis dit de behövs i kroppen.

Till exempel, många mycket effektiva kemoterapier finns idag, men eftersom de inte bara interagerar med cancerceller utan också med friska, många av dem har biverkningar som hjärt- och benmärgsskador. Detta begränsar deras effektivitet och spelar en stor roll i varför det kan vara så svårt att behandla cancer.

Varför är inriktning så svårt?

Men riktade läkemedelsterapier som använder nanopartiklar förblir också begränsade. Som på många andra områden, det som fungerar i laboratoriet kan vara svårt att översätta till kliniken.

Ett exempel är användningen av nanopartiklar som "bärare" som laddas med ett läkemedel och sedan ackumuleras vid målceller (se bild nedan).

Dessa typer av nanopartiklar kan fungera bra i laboratoriet, men när det används i mer komplexa biologiska miljöer (som i blod snarare än i saltbuffertlösning) blir saker och ting snabbt mer komplicerade.

Till exempel, när nanopartiklar injiceras i blod, proteiner adsorberas på deras yta och detta kan helt förändra deras beteende. Detta beror på att denna biobeläggning ändrar viktiga egenskaper hos partiklarna, inklusive avgift (positiv, neutral eller negativ) och storlek.

Möjliga lösningar

Nya metoder utvecklas för att utvärdera nanopartiklar på bättre sätt. Detta inkluderar undersökningstekniker som kan komplettera cell- och djurstudier.

Ett exempel är mikrofluidkanaler som kan efterlikna blodkärl och kan användas för att studera nanomaterialbeteende i blodkapillärer.

Ett annat alternativ använder 3D-tryckta vävnader och organ. I ett färskt exempel, hydrogeler fyllda med celler trycktes på en yta med hjälp av en specialbyggd 3-D-skrivare.

Det viktigaste är att ha justerbar komplexitet. Det är, att kunna anpassa dessa metoder så att vi kan få ut relevant och värdefull information ur studierna. Men inte så komplicerat att det blir svårt att förstå vilka mekanismer det handlar om.

Det här är viktigt, eftersom en nanopartikel som administreras till ett djur upplever flera nivåer av biologisk komplexitet på sin resa från blodomloppet till målområdet (se bilden nedan). För att helt förstå vad som händer, vi måste studera dem alla.

Morgondagens nanomediciner

Ju mer vi lär oss om bio-nanovetenskap – eller hur material interagerar med biologi på nanoskala – desto lättare blir det att designa nanopartiklar som beter sig som vi vill att de ska göra.

Efter år av samlade ansträngningar, en tydligare bild av mekanismerna som avgör hur väl en nanopartikel kommer att fungera håller på att växa fram och den fulla omfattningen av utmaningen som ligger framför oss börjar bli tydlig.

Det är osannolikt att en enda "quick fix" kommer att upptäckas.

Istället, forskning som lyckas kombinera idéer från olika områden och forskare kommer sannolikt att leda till utvecklingen av nya och förbättrade riktade nanopartiklar.

Syftet är att ge nya behandlingar för sjukdomar som är svåra – eller till och med omöjliga – att behandla idag.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.