Även om blodpropp är viktigt för att förhindra blodförlust och för vår immunitet, kan koagulering också orsaka hälsoproblem och till och med dödsfall. För närvarande dör en av fyra människor i världen av sjukdomar och tillstånd orsakade av blodproppar. Samtidigt kan antikoagulantia som används för att minska riskerna också orsaka betydande problem, såsom okontrollerad blödning.

Nu har en ny biomolekylär antikoagulantplattform uppfunnen av ett team ledd av UNC Charlotte-forskaren Kirill Afonin lovat som ett revolutionerande framsteg jämfört med de blodförtunnande medel som för närvarande används under operationer och andra procedurer. Teamets upptäckter rapporteras i tidskriften Nano Letters , först tillgänglig online den 5 juli.

"Vi föreställer oss användningen av vår nya antikoagulantplattform skulle vara under kranskärlsbypassoperationer, njurdialys och en mängd olika vaskulära, kirurgiska och kranskärlsinterventioner," sa Afonin. "Vi undersöker nu om det finns potentiella framtida tillämpningar med cancerbehandlingar för att förhindra metastaser och även för att tillgodose behoven av malaria, vilket kan orsaka koagulationsproblem."

Uppsatsen delar de senaste resultaten från tre års samarbete mellan forskare med Frederick National Laboratory for Cancer Research (Nanotechnology Characterization Laboratory), University of São Paulo i Brasilien, Pennsylvania State University och Uniformed Services University of the Health Sciences.

"Allt detta resulterade i en massiv internationell och tvärvetenskaplig ansträngning för att utveckla en helt ny teknik som vi tror kan revolutionera området och fångas upp av andra områden inom hälsoforskning," sa Afonin.

Teamets teknologi vänder sig till programmerbara RNA-DNA-antikoagulerande fibrer som, när de injiceras i blodomloppet, formas till modulära strukturer som kommunicerar med trombin, som är enzymerna i blodplasma som får blodet att koagulera. Tekniken gör det möjligt för strukturerna att förhindra blodpropp när det behövs och sedan snabbt elimineras från kroppen av njursystemet när arbetet är klart.

Fiberstrukturerna använder aptamerer, korta sekvenser av DNA eller RNA utformade för att specifikt binda och inaktivera trombin.

"Istället för att ha en enda liten molekyl som deaktiverar trombin," sa Afonin, "har vi nu en relativt stor struktur som har hundratals av aptamererna på sin yta som kan binda till trombin och deaktivera dem. Och eftersom strukturen blir större, den kommer att cirkulera i blodomloppet under en betydligt längre tid än traditionella alternativ."

Den utökade cirkulationen i blodomloppet möjliggör en enda injektion, istället för flera doser. Designen minskar också koncentrationen av antikoagulantia i blodet, vilket resulterar i mindre stress på kroppens njurar och andra system, sa Afonin.

Denna teknik introducerar också en ny "kill-switch"-mekanism. En andra injektion vänder på fiberstrukturens antikoagulerande funktion, vilket gör att fibrerna kan metaboliseras till material som är små, ofarliga, inaktiva och lätt utsöndras av njursystemet.

Hela processen sker utanför cellen, genom extracellulär kommunikation med trombinet. Forskarna noterar att detta är viktigt eftersom immunologiska reaktioner inte verkar inträffa, baserat på deras omfattande studier.

Teamet har testat och validerat plattformen med hjälp av datormodeller, människoblod och olika djurmodeller. "Vi genomförde proof-of-concept-studier med nytt insamlat humant blod från donatorer i USA och Brasilien för att ta itu med en potentiell variation mellan donatorer", sa Afonin.

Tekniken kan ge en grund för andra biomedicinska tillämpningar som kräver kommunikation via den extracellulära miljön hos patienter, sa han. "Trombin är bara en potentiell tillämpning," sa han. "Vad du än vill inaktivera extracellulärt, utan att komma in i cellerna, tror vi att du kan. Det betyder potentiellt att vilket blodprotein som helst, alla cellytreceptorer, kanske antikroppar och toxiner, är möjliga."

Tekniken tillåter utformning av strukturer av vilken form som helst, med avstängningsmekanismen intakt. "Genom att ändra formen kan vi få dem att gå in i olika delar av kroppen, så vi kan ändra fördelningen," sa Afonin. "Den får ett extra lager av sofistikering av vad den kan göra."

Även om applikationen är sofistikerad är produktionen av strukturerna relativt enkel. "Hållbarheten är otroligt bra för dessa formuleringar," sa Afonin. "De är väldigt stabila, så du kan torka dem, och vi räknar med att de kommer att hålla sig i flera år vid omgivningstemperaturer, vilket gör dem mycket tillgängliga för ekonomiskt utmanade områden i världen."

Medan forskarnas arbete hittills har relevans för kortsiktiga tillämpningar, som t.ex. operationer, hoppas de eventuellt kunna utöka sin forskning till underhållssituationer, till exempel med mediciner som patienter med hjärtsjukdomar tar.

Potentialen för att rädda liv och förbättra hälsovården är en motivator för teamet, liksom att uppfinna något nytt, sa Afonin. "Vi kan lära av naturen, men vi har byggt något som aldrig har introducerats förut", sa han. "Så, vi utvecklar och bygger alla dessa plattformar de novo - från grunden. Och sedan kan vi förklara genom våra plattformar vad vi vill att naturen - eller våra kroppar - ska göra och våra kroppar förstår oss."

UNC Charlottes kontor för forskning, kommersialisering och utveckling arbetar nära med Penn State för att patentera och föra ut denna nya teknik på marknaden. + Utforska vidare

Ny testmetod för att standardisera immunologisk utvärdering av nukleinsyrananopartiklar