MIT-ingenjörer har visat att de kan förbättra prestandan hos nanopartiklar som levererar läkemedel genom att kontrollera ett drag av kemiska strukturer som kallas kiralitet - strukturens "händighet".

Många biologiska molekyler kan komma i antingen högerhänta eller vänsterhänta former, som är identiska till kompositionen men är spegelbilder av varandra.

MIT-teamet fann att beläggning av nanopartiklar med högerhänt form av aminosyran cystein hjälpte partiklarna att undvika att förstöras av enzymer i kroppen. Det hjälpte dem också att komma in i cellerna mer effektivt. Detta fynd kan hjälpa forskare att designa mer effektiva bärare för läkemedel för att behandla cancer och andra sjukdomar, säger Robert Langer, David H. Koch Institute Professor vid MIT och medlem av Koch Institute for Integrative Cancer Research.

"Vi är mycket glada över det här dokumentet eftersom att kontrollera chiralitet erbjuder nya möjligheter för läkemedelsleverans och därmed nya medicinska behandlingar, säger Langer, som är en av tidningens seniorförfattare.

Ana Jaklenec, en forskare vid Koch-institutet, är också en senior författare av tidningen, som dyker upp i Avancerade material den 4 november. Tidningens huvudförfattare är MIT postdoc Jihyeon Yeom. Andra författare till uppsatsen är tidigare MIT postdocs Pedro Guimaraes och Kevin McHugh, MIT postdoc Quanyin Hu, och Koch Institute forskningsfilial Michael Mitchell. Hyo Min Ahn, BoKyeong Jung, och Chae-Ok Yun från Hanyang University i Seoul, Sydkorea, är också författare till tidningen.

Kirala interaktioner

Många biologiskt viktiga molekyler har utvecklats till att existera uteslutande i antingen högerhänta ("D") eller vänsterhänta ("L") versioner, även kallade enantiomerer. Till exempel, naturligt förekommande aminosyror är alltid "L"-enantiomerer, medan DNA och glukos vanligtvis är "D".

"Kiralitet är allestädes närvarande i naturen, förmedla unika och specificiteter till materialens biologiska och kemiska egenskaper, " säger Yeom. "Till exempel, molekyler bildade med samma sammansättning smakar sött eller bittert och luktar olika beroende på deras kiralitet, och en enantiomer är inaktiv eller till och med giftig medan den andra enantiomeren kan fylla en viktig biologisk funktion."

MIT-teamet antog att det skulle vara möjligt att dra fördel av kirala interaktioner för att förbättra prestandan hos nanopartiklar som levererar läkemedel. För att testa den idén, de skapade "suprapartiklar" bestående av kluster av 2-nanometer koboltoxidpartiklar vars kiralitet tillhandahölls av antingen "D"- eller "L"-versionen av cystein på ytorna.

Genom att flöda dessa partiklar längs en kanal kantad av cancerceller, inklusive myelom och bröstcancerceller, forskarna kunde testa hur väl varje typ av partikel absorberades av cellerna. De fann att partiklar belagda med "D"-cystein absorberades mer effektivt, vilket de tror beror på att de kan interagera starkare med kolesterol och andra lipider som finns i cellmembranet, som också har "D"-orienteringen.

Forskarna trodde också att "D"-versionen av cystein kan hjälpa nanopartiklar att undvika att brytas ned av enzymer i kroppen, som är gjorda av "L"-aminosyror. Detta kan göra att partiklarna kan cirkulera i kroppen under längre perioder, vilket gör det lättare för dem att nå sina avsedda destinationer.

I en studie av möss, forskarna fann att "D"-belagda partiklar stannade längre i blodomloppet, vilket tyder på att de framgångsrikt kunde undvika enzymer som förstörde de "L"-belagda partiklarna. Ungefär två timmar efter injektionen, antalet "D"-partiklar i cirkulation var mycket större än antalet "L"-partiklar, och den förblev högre under de 24 timmarna av experimentet.

"Detta är ett första steg i att titta på hur kiralitet potentiellt kan hjälpa dessa partiklar att nå cancerceller och öka cirkulationstiden. Nästa steg är att se om vi faktiskt kan göra skillnad i cancerbehandling, " säger Jaklenec.

Modifierade partiklar

Forskarna planerar nu att testa detta tillvägagångssätt med andra typer av läkemedelspartiklar. I ett projekt, de undersöker om beläggning av guldpartiklar med "D"-aminosyror kommer att förbättra deras förmåga att leverera cancerläkemedel till möss. I en annan, de använder detta tillvägagångssätt för att modifiera adenovirus, som några av deras medarbetare utvecklar som ett potentiellt nytt sätt att behandla cancer.

"I den här studien, vi visade att "D"-kiraliteten möjliggör längre cirkulationstid och ökat upptag av cancerceller. Nästa steg skulle vara att avgöra om läkemedelsladdade kirala partiklar ger ökad eller förlängd effekt jämfört med fritt läkemedel, " Jaklenec säger. "Detta är potentiellt översättbart till i princip vilken nanopartikel som helst."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.