Medan gurkmejarot har använts medicinskt över hela världen i århundraden, har vetenskapen funnit att dess huvudsakliga kemiska komponent, curcumin, bryts ner i kroppen innan dess slutgiltiga fördelar kan uppnås. Ett spännande samarbete mellan Carnegie Mellon Universitys forskare Sai Yerneni, Phil Campbell, Burak Ozdoganlar och Ezgi Yalcintas har skapat ett tillvägagångssätt för att på ett unikt sätt möjliggöra användningen av curcumin som ett robust läkemedel.

Curcumin är en anti-cancer, antiinflammatorisk, antioxidant och antibakteriell polyfenol som finns i gurkmeja. Dess isolerade, rena form är dock inte stabil på grund av dess snabba nedbrytning inuti och borttagning från kroppen. Detta representerar ett av de största hindren för dess översättning som en praktisk terapi. Det fungerar också som motivation för forskare att utforska inkapslingsstrategier för att skydda curcumin inuti människokroppen.

En sådan inkapslingsmetod är att införliva curcumin i exosomer. Exosomer är nanometriska extracellulära vesiklar som människokroppen använder för cell-till-cell-kommunikation genom att flytta proteiner, lipider, nukleinsyror och metaboliter. Genom att placera curcumin i exosomer är kemikalien tillräckligt stabil för att resa genom hela kroppen och uppnå sin terapeutiska effekt. Även om andra forskare har försökt använda exosomer för att leverera curcumin, var förbättringen av curcumins stabilitet otillräcklig för dess användning som ett terapeutiskt medel.

Albumin, ett naturligt stabilisatorprotein som förekommer i människokroppen, kan hantera denna utmaning. Yerneni, en postdoktor i kemiteknik, och Campbell, en forskningsprofessor i biomedicinsk teknik, har utvecklat en hybridmetod för att utnyttja de unika egenskaperna hos både exosomer och albumin. De konstruerade ett exosom-albumin-hybridsystem för att leverera terapeutika, inklusive curcumin.

"Tidigare försök att ladda curcumin i olika lipidmembranbundna nanopartiklar led av att curcuminet antingen var opålitligt laddat eller utsatt för korta retentionstider, medan införandet av albumin binder till curcuminet och håller det i exosomens lumen, skyddat från nedbrytning, sa Campbell.

Även om albumin-curcuminassociation och exosominkapsling kan ge ett stabilt läkemedelsleveranssystem, förblir riktad leverans till önskade vävnader eller organ en annan utmaning. När de injiceras i blodet tenderar de flesta exosomer att ackumuleras i levern snarare än att nå målorganet eller vävnaden. För detta ändamål är ett attraktivt tillvägagångssätt att leverera de curcumin-albumin-innehållande exosomer med hjälp av mikronålarray-plåster för hudinriktade applikationer.

Microneedle arrays (MNA) innehåller tiotals eller hundratals nålar, var och en tunna som ett människohår och osynliga för blotta ögat. Genom en tillverknings- och appliceringsprocess först arrangeras dessa mikroskaliga nålar i ett arrayformat på en lapp som är mindre än ett öre. Lösbara mikronålar bildas genom att blanda läkemedlet – exosomer i det här fallet – med en typ av socker och stelna dem till sin form.

När de sätts in i vävnad löses nålarna upp och levererar läkemedlet på ett riktat och exakt sätt. På grund av sin lilla storlek orsakar mikronålar inte vävnadsskada. Som sådana kan de användas som ett smärtfritt sätt att leverera terapeutika in i eller genom huden, vilket förbättrar patientens efterlevnad och målinriktad leverans. Speciellt kan mikronålplåstren administreras av patienterna själva utan någon speciell utrustning eller utbildning.

Forskarna fann en annan stor fördel med att använda MNA. När de exosomberikade curcuminföreningarna införlivades i MNAs fann teamet att stabiliteten hos dessa föreningar vid rumstemperatur ökade dramatiskt. Systemet kunde lagras i upp till ett år utan behov av kylförvaring.

"Detta är stort på grund av att en av de största nackdelarna med nuvarande vacciner är logistiken för transporter som kräver kylförvaring," sa Yerneni. Han förklarade att detta särskilt missgynnar fattigare länder som inte kan underlätta långa kyllagerförsörjningskedjor. Yerneni är optimistisk att denna teknik kan övervinna dessa hinder.

En samarbetsresa

Yerneni och Campbell hade inte behövt gå långt för att hitta en samarbetspartner för att leverera exosomer genom att använda mikronålsmatriser eftersom en av världens ledande experter på tekniken var precis nere i korridoren. Burak Ozdoganlar, professor i maskinteknik, hade lett ansträngningarna att utveckla olika mikronålar i mer än ett decennium tillsammans med avlidne Lee Weiss, professor vid Carnegie Mellons Robotics Institute.

En av de ursprungliga inspirationerna för MNAs kom från Weiss, som konceptualiserade idén om "mikro-kardborre" eller mikro-hullingar, en rad titanprojekt i form av en pilspets. Ozdoganlar och Weiss arbetade tillsammans i mitten av 2000-talet och utvecklade tillverkningsmetoder för att förverkliga "mikro-kardborren". Senare samarbetade Ozdoganlar med medicinska forskare från University of Pittsburgh för att demonstrera tillämpningen av MNA för en rad sjukdomar och tillstånd inklusive hudcancer, och på senare tid, för COVID-vaccination.

Yalcintas, en före detta Ph.D. student från Ozdoganlars forskargrupp, arbetade nära Yerneni i curcuminprojektet. "Detta var ett sant samarbete mellan två enastående forskargrupper. Tack vare Ezgi och Sais utmärkta arbete har vi framgångsrikt visat den lokala leveransen av curcumin till huden och dess effektivitet för att blockera och dämpa inflammation", säger Ozdoganlar. "Detta kan i hög grad påverka behandlingen av en rad hudtillstånd och möjligen olika hudcancer."

Publicerad i Acta Biomaterialia , visar teamets forskning att exosom/MNA-hybridsystemet är ett effektivt sätt att leverera curcumin till huden. Detta kommer att tillåta läkare att använda curcumin som ett helt naturligt terapeutiskt medel. Teamet har visat att detta är en effektiv behandling för att sänka lokal hudinflammation i små djurmodeller, men ytterligare forskning behövs för att utforska curcumins andra egenskaper.

Därefter planerar teamet att genomföra ytterligare experiment med hjälp av sjukdomsspecifika djurmodeller för att bevisa att fördelarna med curcumin kan realiseras med hjälp av ett exosom-albuminleveranssystem och mikronålar.

"Vi har framgångsrikt laddat exosom-albumin leveranssystem med curcumin," sade Yerneni. "Denna teknik utökas för att leverera andra läkemedel och potentiellt kontrollera andra hudsjukdomar som cancer (melanom), psoriasis och hudsår." + Utforska vidare

Gurkmejaförening hjälper till att växa konstruerade blodkärl och vävnader