Modern medicin är beroende av en omfattande arsenal av läkemedel för att bekämpa dödliga sjukdomar som lunginflammation, tuberkulos, HIV-AIDS och malaria. Kemoterapimedel har förlängt livet för miljontals cancerpatienter, och i vissa fall, botade sjukdomen eller förvandlade den till ett kroniskt tillstånd.

Men att få in dessa läkemedel i sjukdomsfyllda celler har förblivit en stor utmaning för modern farmakologi och medicin. För att ta itu med denna svårighet, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och University of California Merced forskare och medarbetare från Max Planck Institute of Biophysics i Tyskland har använt kolnanorör för att möjliggöra direkt läkemedelsleverans från liposomer genom plasmamembranet in i cellens inre genom att underlätta fusion av bärarmembranet med cellen. Forskningen visas i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Läkemedel är ofta dåligt lösliga, starkt giftigt för andra vävnader eller utsätts för snabb nedbrytning i de olika kemiska miljöerna i en organism. De kan ackumuleras i icke-målvävnader, binder till andra cellulära komponenter eller kanske inte internaliseras effektivt i målcellerna.

Liposomal leveranssystem syftar till att mildra dessa problem genom att kapsla in läkemedel i externa bärare som cirkulerar genom blodomloppet. Dock, dessa system involverar en avvägning mellan att förbättra liposomal stabilitet på vägen till målet och att underlätta frisättning av nyttolast till målcellens cytosol.

De flesta nuvarande liposomala leveransstrategier förlitar sig på den endosomala vägen för cellinträde, vilket i sig är ineffektivt och ofta resulterar i nedbrytning av läkemedlet. Vanligt använda katjoniska lipider, som förbättrar liposomal fusion med målmembranet och förbättrar endosomal flykt, visade sig vara giftig.

"Vi trodde att kolnanorörporiner - korta bitar av kolnanorör införda i lipidmembran - kan efterlikna viral fusionspeptidfunktionalitet och hjälpa till att smälta de liposomala bärarna till membranen i cancerceller, " sa vetenskapsmannen Alex Noy, som ledde forskningen vid LLNL.

I en serie experiment, teamet visade att en enkel nanomaterialplattform - en dimer av kolnanorörsporiner med liten diameter (CNTP) - fungerar som en potent promotor för membranfusion. Dessutom, när Noy och hans team laddade sina liposomer med ett potent kemoterapeutiskt medel (doxorubicin), dessa bärare levererade läkemedlet till cancerceller, döda en majoritet av dem.

"Våra resultat öppnar en väg för enkla och effektiva läkemedelsleveransbärare som är kompatibla med ett brett utbud av terapier, sa Nga Ho, en LLNL-postdoktor och den första författaren till artikeln.

Grovkorniga molekylära dynamiska simuleringar, utförs av teamet på Max Planck, avslöjade en distinkt och ovanlig fusionsmekanism där CNTP-dimerer binder vesiklarna, dra membranen i närheten och smält sedan samman deras yttre och inre broschyrer.

"Vi var mycket glada över att se att membranfusion som underlättas av kolnanorörporiner med liten diameter kan leda till fullständig blandning av membranmaterialet och vesikelinnehållet, sa Marc Siggel, en doktorand vid Max Planck, och en av studiens första författare.

"Våra experiment visar att CNTP-besatta liposomer kan utgöra grunden för att konstruera de sedan länge önskade, men än så länge svårfångad, mångsidig bärare för direkt och högeffektiv leverans av läkemedel och DNA- och RNA-vacciner över plasmamembranet, sa Noy.

"Denna strategi skulle kunna kringgå den endocytotiska vägen helt och därmed undvika några av de problem som tidigare leveransstrategier stöter på, " tillade Gerhard Hummer, en teoretisk biofysiker vid Max Planck Institute, som ledde modellsatsningen.