Nanoingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat immuncellsliknande nanopartiklar som riktar sig mot inflammation i lungorna och levererar läkemedel direkt där de behövs. Som ett bevis på konceptet, forskarna fyllde nanopartiklarna med läkemedlet dexametason och administrerade dem till möss med inflammerad lungvävnad. Inflammation behandlades fullständigt hos möss som fick nanopartiklarna, vid en läkemedelskoncentration där standardtillförselmetoder inte hade någon effekt.

Forskarna rapporterade sina resultat i Vetenskapens framsteg den 16 juni.

Det som är speciellt med dessa nanopartiklar är att de är belagda i ett cellmembran som är genetiskt framställt för att leta efter och binda till inflammerade lungceller. De är de senaste i raden av så kallade cellmembranbelagda nanopartiklar som har utvecklats av UC San Diegos nanoteknikprofessor Liangfang Zhangs labb. Hans labb har tidigare använt cellmembranbelagda nanopartiklar för att absorbera toxiner som produceras av MRSA; behandla sepsis; och träna immunförsvaret att bekämpa cancer. Men medan dessa tidigare cellmembran var naturligt härledda från kroppens celler, cellmembranen som användes för att belägga denna dexametasonfyllda nanopartikel var inte det.

"I det här pappret, vi använde en genteknik för att redigera ytproteinerna på cellerna innan vi samlade in membranen. Detta avancerade avsevärt vår teknologi genom att tillåta oss att exakt överuttrycka vissa funktionella proteiner på membranen eller slå ut vissa oönskade proteiner, sa Zhang, som är en senior författare av tidningen.

Joon Ho Park, en doktorand i Zhangs labb och första författare till tidningen, sa forskarna märkte att när endotelceller blir inflammerade, de överuttrycker ett protein som heter VCAM1, vars syfte är att locka immunceller till inflammationsplatsen. Som svar, immuncellerna uttrycker ett protein som kallas VLA4, som söker upp och binder till VCAM1.

"Vi konstruerade cellmembran för att uttrycka den fullständiga versionen av VLA4 hela tiden, " sade Park. "Dessa membran överuttrycker ständigt VLA4 för att söka upp VCAM1 och platsen för inflammation. Dessa konstruerade cellmembran tillåter nanopartikeln att hitta de inflammerade platserna, och släpp sedan läkemedlet som finns inuti nanopartikeln för att behandla det specifika området av inflammation."

Även om nanopartikeln inte direkt förbättrar läkemedlets effektivitet - dexametason i detta fall - kan koncentrering av den på platsen av intresse innebära att en lägre dos krävs. Denna studie visade att dexametason ackumulerades på platsen av intresse vid högre nivåer, och snabbare, än vanliga metoder för läkemedelstillförsel.

"Vi levererar exakt samma läkemedel som används på kliniken, men skillnaden är att vi koncentrerar drogerna till den punkt av intresse, ", sa Park. "Genom att ha dessa nanopartiklar rikta in sig på inflammationsplatsen, det betyder att en större del av medicinen hamnar där den behövs, och inte rensas ut av kroppen innan den kan ackumuleras och vara effektiv."

Forskarna noterar att denna genetiskt modifierade cellmembranmetod är en plattformsteknik som i teorin kan användas för att rikta in sig på inte bara inflammation i andra delar av kroppen - VCAM1 är en universell signal om inflammation - utan också mycket bredare användningsfall.

"Detta är en mångsidig plattform, inte bara för lunginflammation utan alla typer av inflammation som uppreglerar VCAM1, " sade Park. "Denna teknik kan generaliseras; denna konstruerade cellmembranbelagda nanopartikel behöver inte överuttrycka VLA4, det kan bytas ut till ett annat protein som kan rikta sig mot andra delar av kroppen eller uppnå andra mål."

Att konstruera cellmembranen för att överuttrycka VLA4-proteinet, Park och teamet börjar med att packa VLA4-gener till en viral vektor. De infogar sedan denna omprogrammerade virala vektor i labb-odlade värdceller härrörande från möss. Cellerna införlivar generna som den virala vektorn bär i sitt eget genom och som ett resultat, producera membran som ständigt överuttrycker VLA4.

Forskarnas nästa steg är att studera processen med hjälp av mänskliga cellmembran, istället för möss cellmembran, som är konstruerade för att uttrycka den mänskliga versionen av VLA4. Det återstår fortfarande många steg innan tekniken kan testas i kliniska prövningar på människor, men forskarna säger att dessa tidiga resultat från plattformstekniken är uppmuntrande.

"Genom att utnyttja de etablerade genredigeringsteknikerna, denna studie flyttar fram de cellmembranbelagda nanopartiklarna till en ny nivå och öppnar nya möjligheter för riktad läkemedelsleverans och andra medicinska tillämpningar", avslutades av Zhang.