University of Alabama i Birmingham polymer- och radionuklidkemister rapporterar vad de säger "kan representera ett stort steg framåt i system för administrering av mikrokapslar."

UAB-mikrokapslarna – märkta med radioaktivt zirkonium-89 – är det första exemplet på ihåliga polymerkapslar som kan långsiktigt, flerdagars positronemissionstomografi, eller PET, avbildning in vivo. I tidigare arbete, UAB-forskare visade att de ihåliga kapslarna kunde fyllas med en potent dos av cancerläkemedlet doxorubicin, som sedan skulle kunna frigöras genom terapeutiskt ultraljud som spricker mikrokapslarna.

PET-avbildning med zirkonium-89 – som har en halveringstid på 3,3 dagar – gjorde att kapslarna kunde spåras i testmöss upp till sju dagar. Det stora steget framåt i den nuvarande forskningen var kovalent inkorporering av en zirkoniumkelator, deferoxamin eller DFO, i mikrokapslarnas skikt. Detta ökade den täta bindningen av positronemittern zirkonium-89 till mikrokapselväggen.

"De producerade systemen representerar ett exempel på ett avancerat terapeutiskt medel med möjligheten att kombinera kontrollerad läkemedelstillförsel med stabil PET-avbildningskapacitet, sade Eugenia Kharlampieva, Ph.D., och Suzanne Lapi, Ph.D., co-senior författare. "Vi tror att detta system också ger grunden för en universell läkemedelsleveransbärare som kan kombineras med avancerade riktade behandlingar, som patientanpassad genterapi, och kan leda till att människors hälsa främjas genom molekylärt inriktade, bildstyrd precisionsläkemedelstillförsel."

Detta läkemedelstillförselsystem – efter ytmodifieringar för att öka målförmågan – skulle kunna erbjuda ett icke-invasivt alternativ till cancerkirurgi eller systemisk kemoterapi för solida tumörer. Termen theranostisk, en portmanteau av orden terapi och diagnostik, hänvisar till nanopartiklar eller mikrokapslar som kan fungera som diagnostiska avbildningsmedel och som bärare för terapeutiska läkemedelsleveranser.

Den relativa bristen på zirkonium-89 funktionaliserade partiklar, Kharlampieva och Lapi föreslår, kan bero på både bristen på laboratorier som kan arbeta med denna isotop och utmaningarna i samband med dess stabila inkorporering i en polymer läkemedelsbärare. På UAB, Kharlampieva är professor vid UAB College of Arts and Sciences Department of Chemistry och meddirektör för UAB Center for Nanomaterials and Biointegration. Hennes polymerkemilabb har banat väg för forskning om ihåliga mikrokapslar som är byggda med omväxlande lager av biokompatibel garvsyra och poly(N-vinylpyrrolidon), eller TA/PVPON. Skikten bildas runt en offerkärna som löses upp efter att skikten är färdiga. I den aktuella forskningen, kelatorn DFO var kovalent kopplad till PVPON, och kapslarna var sammansatta av alternerande lager av TA och PVPON-DFO, för totalt sex eller 12 dubbelskikt.

Lapi är professor i radiologi och vice ordförande för translationell forskning, och hon är chef för UAB Cyclotron Facility, som producerar både kliniska och experimentella radionuklider. Lapi leder också Radiochemistry Laboratory och Division of Advanced Medical Imaging Research.

UAB-forskarna fann att (TA/PVPON-DFO) kapslar med sex dubbelskikt behöll, i genomsnitt, 17 procent mer zirkonium-89 än deras (TA/PVPON) motsvarigheter, bevis på att länkning av DFO till PVPON ger stabil kelering. In vivo PET-avbildning av möss visade utmärkt stabilitet och bildkontrast som fortfarande var närvarande sju dagar efter injektion. Kapslarna ackumulerades främst i mjälten, lever och lungor, och det var försumbar ansamling i lårbenet. Eftersom lårbenet är platsen där fritt zirkonium-89 ackumuleras, denna brist på ackumulering i lårbenet bekräftade stabil bindning av radiospårämnet till kapseln. Till sist, applicering av terapeutiska nivåer av ultraljud på de zirkoniumfunktionaliserade kapslarna frigjorde anticancerläkemedlet doxorubicin – laddat inuti mikrokapslarna – i terapeutiska mängder.

Således, mikrokapslarna övervinner tre begränsningar som ses i majoriteten av nuvarande PET-styrda teranostiska medel:1) dålig retention av radiometall över tid, 2) låg läkemedelsladdningskapacitet, och 3) tidsbegränsad PET-avbildningskapacitet.

Medförfattare till studien, "Flerskiktsmikrokapslar med skalkelaterad 89Zr för PET-avbildning och kontrollerad leverans, " publicerad i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt , var Veronika Kozlovskaya, Ph.D., och Aaron Alford, Ph.D., UAB Institutionen för kemi.