Traumatiska skador är den vanligaste dödsorsaken i USA bland personer 45 och under, och sådana skador står för mer än 3 miljoner dödsfall per år över hela världen. För att minska dödssiffran för sådana skador arbetar många forskare med injicerbara nanopartiklar som kan komma in på platsen för en inre skada och locka till sig celler som hjälper till att stoppa blödningen tills patienten kan nå ett sjukhus för vidare behandling.

Medan några av dessa partiklar har visat lovande i djurstudier, har ingen testats på mänskliga patienter ännu. En anledning till det är bristen på information om verkningsmekanismen och potentiell säkerhet för sådana partiklar. För att belysa dessa faktorer mer har MIT kemiingenjörer nu utfört den första systematiska studien av hur olika stora polymernanopartiklar cirkulerar i kroppen och interagerar med blodplättar, cellerna som främjar blodkoagulering.

I en studie av råttor visade forskarna att partiklar i ett mellanstorleksområde, runt 150 nanometer i diameter, var de mest effektiva för att stoppa blödning. Dessa partiklar var också mycket mindre benägna att resa till lungorna eller andra platser utanför målet, vilket större partiklar ofta gör.

"Med nanosystem finns det alltid en viss ansamling i levern och mjälten, men vi skulle vilja att mer av det aktiva systemet ackumuleras vid såret än på dessa filtreringsställen i kroppen", säger Paula Hammond, professor vid MIT Institute , chef för Institutionen för kemiteknik, och medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Hammond; Bradley Olsen, Alexander och I. Michael Kasser professor i kemiteknik; och George Velmahos, professor i kirurgi vid Harvard Medical School och chef för trauma, akutkirurgi och kirurgisk kritisk vård vid Massachusetts General Hospital, är seniorförfattarna till studien.

MIT doktorand Celestine Hong är huvudförfattare till uppsatsen, som visas i tidskriften ACS Nano .

Storlekseffekter

Nanopartiklar som kan stoppa blödning, även kallade hemostatiska nanopartiklar, kan tillverkas på en mängd olika sätt. En av de mest använda strategierna är att skapa nanopartiklar gjorda av en biokompatibel polymer konjugerad med ett protein eller en peptid som attraherar blodplättar, de blodkroppar som initierar blodkoagulering.

I denna studie använde forskarna en polymer känd som PEG-PLGA, konjugerad med en peptid som heter GRGDS, för att göra sina partiklar. De flesta av de tidigare studierna av polymera partiklar för att stoppa blödning har fokuserat på partiklar som sträcker sig i storlek från 300 till 500 nanometer. Men få, om några studier, har systematiskt analyserat hur storlek påverkar nanopartiklarnas funktion.

"Vi försökte verkligen titta på hur storleken på nanopartikeln påverkar dess interaktioner med såret, vilket är ett område som inte har utforskats med polymernanopartiklarna som tidigare använts som hemostater", säger Hong.

Djurstudier har visat att större nanopartiklar kan hjälpa till att stoppa blödningar, men dessa partiklar tenderar också att samlas i lungorna, vilket kan orsaka oönskad koagulering där. I den nya studien analyserade MIT-teamet en rad nanopartiklar, inklusive små (mindre än 100 nanometer), mellanliggande (140 till 220 nanometer) och stora (500 till 650 nanometer).

Först analyserade de partiklarna i labbet för att studera hur de interagerar med aktiva blodplättar under en mängd olika förhållanden. Ett av deras tester mätte hur väl partiklarna band till blodplättar när blodplättarna strömmade genom ett rör. I detta test resulterade de minsta nanopartiklarna i den största andelen bundna blodplättar. I ett annat test mätte de hur väl nanopartiklar kunde hålla sig till en yta belagd med blodplättar. I det här scenariot fastnade de största nanopartiklarna bäst.

Sedan ställde forskarna en lite annan fråga och analyserade hur mycket av massan som fastnat på ytan som var nanopartiklar och hur mycket som var blodplättar, eftersom det yttersta målet är att locka till sig så många blodplättar som möjligt. Med hjälp av det riktmärket fann de att de mellanliggande partiklarna var de mest effektiva.

"Om du attraherar ett gäng nanopartiklar och de slutar blockera trombocytbindningen eftersom de klumpar sig på varandra, är det inte särskilt användbart. Vi vill att blodplättar ska komma in", säger Hong. "När vi gjorde det experimentet fann vi att den mellanliggande partikelstorleken var den som slutade med det största blodplättsinnehållet."

Stoppa blödningen

Forskarna testade sedan de tre storleksklasserna av nanopartiklar i möss. Först injicerade de partiklarna i friska möss för att studera hur länge de skulle cirkulera i kroppen och var de skulle ackumuleras. De fann att, som sett i tidigare studier, var det mer sannolikt att de största partiklarna ackumulerades i lungorna eller andra platser utanför målet, och att deras cirkulationstid var kortare.

I samarbete med sina medarbetare på MGH använde forskarna sedan en råttmodell av inre skada för att studera vilka partiklar som skulle vara mest effektiva för att stoppa blödning. De fann att de medelstora partiklarna verkade fungera bäst, och att dessa partiklar också visade den största ackumuleringshastigheten vid sårplatsen.

"Den här studien tyder på att de större nanopartiklarna inte nödvändigtvis är det system som vi vill fokusera på, och jag tror att det inte framgick av det tidigare arbetet. Att kunna rikta uppmärksamheten mot detta medelstora sortiment kan öppna upp några nya dörrar , säger Hammond.

Forskarna hoppas nu kunna testa dessa medelstora partiklar i större djurmodeller, för att få mer information om deras säkerhet och de mest effektiva doserna. De hoppas att sådana partiklar så småningom skulle kunna användas som en första behandlingslinje för att stoppa blödningar från traumatiska skador tillräckligt länge för att en patient ska kunna nå sjukhuset.

"Dessa partiklar är tänkta att ta itu med dödsfall som kan förebyggas. De är inte ett botemedel mot inre blödningar, men de är avsedda att ge en person några extra timmar tills de kan komma till ett sjukhus där de kan få adekvat behandling." säger Hong. + Utforska vidare

Forskare utvecklar nästa generations konstgjorda blodplättar som kan stoppa blödningar från en skada snabbare

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.