Eftersom de kan programmeras att resa i kroppen och selektivt rikta in sig på cancer och andra sjukdomsställen, nanometerskaliga fordon som kallas nanobärare kan leverera högre koncentrationer av läkemedel för att bombardera specifika delar av kroppen samtidigt som systemiska biverkningar minimeras. Nanobärare kan också leverera läkemedel och diagnostiska medel som vanligtvis inte är lösliga i vatten eller blod samt avsevärt minska den effektiva dosen.

Även om denna metod kan verka idealisk för att behandla sjukdomar, nanobärare är inte utan sina utmaningar.

"Kontrollerade, långvarig förlossning är fördelaktigt för att behandla många kroniska sjukdomar, men detta är svårt att uppnå med nanomaterial utan att inducera oönskad lokal inflammation, " sa Northwestern Universitys Evan Scott. "Istället, nanomaterial administreras vanligtvis som flera separata injektioner eller som en transfusion som kan ta längre tid än en timme. Det skulle vara bra om läkare kunde ge en injektion, som kontinuerligt släppte ut nanomaterial under en kontrollerad tidsperiod."

Nu Scott, en biträdande professor i biomedicinsk teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering, har utvecklat en ny mekanism som gör det kontrollerat, varaktig leverans möjlig.

Scotts team designade en nanobärarformulering som – efter att den snabbt har formats till en gel inuti kroppen vid injektionsstället – kontinuerligt kan släppa ut läkemedel laddade i nanoskala i månader. Själva gelén återmonteras i nanobärarna, så efter att all medicin har levererats, inget restmaterial finns kvar för att framkalla inflammation eller fibrös vävnadsbildning. Detta system skulle kunna till exempel, möjliggöra engångsvacciner som inte kräver boosters samt ett nytt sätt att leverera kemoterapi, hormonbehandling, eller läkemedel som underlättar sårläkning.

Stöds av National Science Foundation och National Institutes of Health, forskningen publicerades online idag, 12 februari i journalen Naturkommunikation . Nicholas Karabin, en doktorand i Scotts laboratorium, var tidningens första författare. Northwestern Engineerings Kenneth Shull, professor i materialvetenskap och teknik, också bidragit till arbetet. Medlem av Northwesterns Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology and Chemistry of Life Processes Institute, Scott var motsvarande författare och ledde utvecklingen av nanopartiklar och in vivo-validering.

För närvarande, de vanligaste varaktiga nanobärarleveranssystemen håller nanomaterial inom polymermatriser. Dessa nätverk implanteras i kroppen, där de långsamt släpper de instängda drogbärarna under en tidsperiod. Problemet ligger efter att förlossningen är klar:nätverken förblir inuti kroppen, ofta framkalla en främmande kroppsreaktion. Det överblivna nätverket kan orsaka obehag och kronisk inflammation hos patienten.

För att kringgå detta problem, Scott utvecklade en nanobärare med hjälp av självmonterade, filamentformade nanomaterial, som är laddade med ett läkemedel eller avbildningsmedel. När de är tvärbundna tillsammans, filamenten bildar ett hydrogelnätverk som liknar strukturell vävnad i människokroppen. Efter att filamenten har injicerats i kroppen, det resulterande hydrogelnätverket fungerar som en läkemedelsdepå som långsamt bryts ned genom att bryta ner till sfäriska nanomaterial som kallas miceller, som är programmerade att resa till specifika mål. Eftersom nätverket förvandlas till läkemedelsleveranssystemet, ingenting är mindre bakom för att orsaka inflammation.

"Allt material innehåller drogen och levererar sedan drogen, Scott förklarade. "Det försämras på ett kontrollerat sätt, vilket resulterar i nanomaterial som har samma form och storlek. Om vi ​​laddar ett läkemedel i filamenten, micellerna tar drogen och går därifrån."

Efter att ha testat systemet både in vitro och in vivo i en djurmodell, Scotts team visade att de kunde administrera en subkutan injektion som långsamt levererade nanomaterial till celler i lymfkörtlar i över en månad på ett kontrollerat sätt.

Scott sa att systemet kan användas för andra nanostrukturer förutom miceller. Till exempel, systemet kan inkludera vesikelformade nanopartiklar, såsom liposomer eller polyersomer, som har droger, proteiner, eller antikroppar instängda. Olika vesiklar kan bära olika droger och frigöra dem i olika hastigheter när de väl är inne i kroppen.

"Närnäst letar vi efter sätt att skräddarsy systemet till behoven hos specifika sjukdomar och terapier, " sa Scott. "Vi arbetar för närvarande med att hitta sätt att leverera kemoterapeutika och vacciner. Kemoterapi kräver vanligtvis leverans av flera toxiska läkemedel i höga koncentrationer, och vi kunde leverera alla dessa läkemedel i en injektion vid mycket lägre doser. För immunisering, dessa injicerbara hydrogeler kan administreras som standardvacciner, men stimulerar specifika celler i immunsystemet längre, kontrollerade tidsperioder och potentiellt undvika behovet av boosters."