Forskare från Monash University har använt avancerad teknik vid ANSTO för att undersöka produktionen av nya, långsträckta polymernanokapslar med en hög nyttolast av läkemedelsnanokristaller för att potentiellt öka läkemedlets målbarhet, och även minska doseringsfrekvensen och biverkningar.

Denna metod hade inte undersökts tidigare och representerar en banbrytande undersökningsmetod inom området kolloidala vetenskapliga tillämpningar för läkemedelsleverans.

Nanopartiklar har använts för att öka leveranseffektiviteten av cancerterapi på grund av deras biokompatibilitet, mångsidighet och enkel funktionalisering.

Teamet konstruerade nya långsträckta polymer nanokapslar, som är till skillnad från de mer välkända sfäriska nanokapslarna.

De långsträckta polymernanokapslarna gjordes med långsträckta liposomer eller ytaktiva vesiklar och använde läkemedelsnanokristaller som mall.

Resultaten gav starka bevis för att den långsträckta strukturen kunde behållas, och bekräftade också att laddningsmetoden för att bilda stavliknande läkemedelsnanokristaller inuti liposomer var en praktisk lösning.

Kombinationen av den höga nyttolasten, i form av inkapslade nanokristaller, och den icke-sfäriska egenskapen hos liposomer representerade ett mer effektivt tillförselsystem.

Sfäriska ihåliga nanokapslar har studerats omfattande, men bildningen av långsträckta nanokapslar innehållande aktiva läkemedel som terapeutiska medel har tidigare i stort sett varit misslyckad.

"Det finns svårigheter med att behålla den långsträckta formen och deras inkapslingseffektivitet är låg, " förklarade forskaren Yunxin (Cindy) Xiao, en Ph.D. kandidat som arbetar i Nonlaminar-gruppen med Prof Ben Boyd vid Monash Biomedicine Discovery Institute. och mottagaren av Australian Institute of Nuclear Science and Engineering Post Graduate Research Award.

"Den långsträckta formen är bättre eftersom det är svårare för immunceller att internalisera dem och eftersom deras terapeutiska effektivitet på målplatsen kan maximeras."

Efter att ha erhållit lovande strukturella resultat med hjälp av en liposommal mall som undersökts med röntgenspridningsstrållinjen med liten vinkel vid ANSTOs australiensiska synkrotron och de små och ultrasmå neutronspridningsinstrumenten med liten vinkel Bilby och Kookaburra i tidigare forskning, mallen användes för att bilda långsträckta polymernanokapslar.

Forskarna använde vesiklar gjorda av ytaktiva ämnen som mallar, vilket möjliggjorde polymerisation av ett mindre permeabelt skal inuti dessa.

I deras experiment, nanokristaller av antibiotikumet ciprofloxacin inkapslades sedan i de långsträckta nanokapslarna (cirka 200 nm gånger 30–50 nm). Viktigt, när testläkemedlets nanokristaller extraherades från de långsträckta nanokristallerna i en upplösningsprocess, nanokristallkapslarna behöll sin form.

Detta öppnar möjligheten att använda dem för att leverera en rad aktiva läkemedel, såsom läkemedel mot cancer.

Forskarna ville studera hur systemet fungerade i detalj och behövde se skillnaderna mellan de tre skikten i det långsträckta systemet - läkemedelsnanokristaller, den långsträckta liposomala mallen, och den tvärbundna polymeren.

Dock, eftersom den liposomala mallen och nanokapslarna är fästa, det är mycket utmanande att urskilja dessa lager. Här kan deuteration och neutronspridning erbjuda en bra lösning.

I experiment vid Australian Center for Neutron scattering, en typ av deutererad fosfolipid, tillhandahålls av National Deuteration Facility, användes vid bildningen av nanokristallerna – vilket betyder att det småvinklade neutronspridningsinstrumentet Bilby kunde undersöka de två olika delarna av systemet.

Skillnaden i neutronspridning från väte- och deuteriumatomer kan användas i kontrastvariationsexperiment, som tillåter olika delar av ett komplext system, som de långsträckta nanokapslarna. att studeras.

Kontrast i småvinklar neutronspridning kan maskera eller framhäva de olika komponenterna om de är deutererade.

Användningen av olika instrument öppnar upp för olika längdskalor för undersökning - från mikrometer till nanometer.

Forskarna använde Bilby-instrumentet för att analysera bildandet av polymererna på ytan av den långsträckta liposomala mallen. De bestämde också tjockleken på det långsträckta polymerskiktet och fann vilka delar av systemet som sträcktes.

"Tillvägagångssättet gör det möjligt att visualisera olika delar av proverna oberoende av varandra, sa Xiao.

Eftersom det styva polymerskalet kan anpassa formen på mallen, dess egenskaper kan behållas.

Fördelen med att syntetisera ett skikt av polymer på ytan av nanokapslarna istället för att bara direkt leverera liposomerna ger den tvärbundna polymeren förmågan att släppa ett läkemedel långsamt och säkert.

Polymerskalet bromsar ytterligare diffusionen av läkemedel från nanobärarna, minskar biverkningar och minskar dosfrekvensen.

Användningen av olika instrument gör det möjligt för forskare att undersöka i olika längdskalor.

Denna grupps arbete har tidigare publicerats i tidskriften Kolloider och ytor B:Biogränssnitt .

Denna forskning var en finalist i ANSTOs Neutron and Deuteration Impact Awards. Den har lämnats in för publicering.