Dr Jie Zheng tror att han har gjort en barriär till en bro när det gäller implementering av nanomedicin.

Professorn i kemi och hans forskargrupp vid University of Texas i Dallas har visat att nanomediciner kan utformas för att samverka med en naturlig avgiftningsprocess i levern för att förbättra deras sjukdomsinriktning samtidigt som potentiella biverkningar minimeras.

Deras studie, publicerad 15 juli i Naturnanoteknik , indikerar en väg till att göra nanomedicin säkrare och effektivare.

"Människor har arbetat med nanomedicin i årtionden. Det har stor potential att främja behandling och upptäckt av cancer, "sa Zheng, Cecil H. och Ida Green Professor i systembiologisk vetenskap vid Institutionen för kemi och biokemi vid UT Dallas. "Men det finns också potentiella faror."

Nanomedicin avser i stort sett användningen av konstruerade nanopartiklar, definieras av deras mikroskopiska dimensioner, för olika hälsorelaterade ändamål. Primärt bland dessa roller är den exakta leveransen av läkemedel och upptäckten av olika sjukdomar.

Levern, det största avgiftningsorganet i kroppen, fångar upp och tar bort många ämnen med ursprung både i och utanför kroppen.

"Levern skyddar oss varje dag från skador från främmande material, "Zheng sa." Men det är också en långvarig barriär för att göra säkra och effektiva nanomediciner som patienter kan använda. "

Även om många nanomediciner riktar in sig på sjukdomar effektivt i prekliniska studier, Zheng sa att få av dem når klinisk användning. Det här är för att, i levern, makrofager - en typ av vita blodkroppar - fångar upp och lagrar dem i kroppen på lång sikt, minska deras effektivitet och öka deras toxicitet.

"Utmaningen är att maximera deras behandlingspotential och samtidigt minimera biverkningar, "sa han." Först när du löser båda problemen kan du verkligen ta med detta till kliniken. "

Forskarnas viktigaste upptäckt, utförs i en musmodell, är att en av leverns naturliga toxinborttagningsprocesser kan användas för att förbättra leveransen av nanomediciner samtidigt som de gör dem säkra. Denna process-glutationmedierad biotransformation-eliminerar off-target nanomediciner så att de inte fortsätter att skada kroppen.

"Vi använder denna leverbiotransformation som ett sätt att modifiera de cirkulerande nanomedicinerna så att makrofagupptagningen minskar, "sa Dr Xingya Jiang, huvudförfattaren till studien. "Med denna leverbiotransformation, de nanomediciner som missar målet kan effektivt rensas ut utan långsiktig ackumulering i kroppen. "

Denna biotransformation var tidigare känd för att eliminera fettmolekyler och små toxiner, såsom tungmetaller. Men dess interaktion med nanomediciner var oklar innan denna studie.

"Leverceller utsöndrar ständigt glutation till sinusformen, som är kapillären i levern. Denna utsöndring av glutation, kallas efflux, kan omvandla ytkemin hos nanopartiklar så att kroppen lättare kan eliminera dem, "Sa Zheng.

"Tillsammans med andra fysiologiska processer, detta utflöde kan exakt styra transporten av nanomediciner i kroppen, förbättra deras riktning mot tumören och minska deras ospecifika ackumulering i friska vävnader under tiden, " han sa.

Tillsammans med Dr Bujie Du, Zheng och Jiang designade en nanoprobe som använder organiskt färgämne för att rapportera hur biotransformationen förändrar nanopartikeln och för att bättre förstå både dess inriktning och clearance.

När nanoprobe levererades i levern, färgämnets fluorescens aktiverades snabbt, vilket indikerar att färgämnet dissocierades från nanopartikeln i levern.

"Det var inte säkert innan vad som hände när nanoproben kom in i levern, "Sa Jiang." Vi antog att det fanns viss interaktion i levern som orsakade dissociationen, men vi visste inte riktigt. Nu har vi sett hur det fungerar. "

Teamet validerade vad som händer i levern med hjälp av nanopartiklar av en exakt storlek och väldefinierad struktur; I detta fall, partiklarna innehöll var och en 25 guldatomer och fyra färgämnen. Att veta exakt hur dessa nanopartiklar var strukturerade när de kom in i kroppen tillät noggrann tolkning av hur de skilde sig när de rensade sig ur kroppen.

"När vi övervakade det, vi såg att tumörinriktning av nanomediciner ökade signifikant jämfört med kontroller, medan de återstående nanomedicinerna i normala vävnader minimerades, "Sade Zheng." På grund av denna atomiskt exakta design, vi kunde också upptäcka att aminosyran cystein också är involverad i denna biotransformationsprocess, hjälper till att ändra dessa nanopartiklar in vivo. "

Zheng betonade att denna forskning visar en ny väg för att designa nanomediciner genom att dra fördel av kroppens naturliga svar.

"De flesta människor tänker på leverupptag som ett hinder för nanomedicinleverans - att levern kommer att ta upp dem och behålla dem i kroppen under lång tid. Detta är en ny strategi, "sa han." Vi har gjort leverbeteendet som vi en gång ansåg vara en nackdel med klinisk översättning av nanomediciner till en fördel.

"Mer än att bara ge en ny strategi, Vi hoppas att detta inspirerar oss att vara kreativa tänkare så att många hinder i vår forskning kan bli broar till större vetenskapliga upptäckter. "