Mikroskopisk avbildning visar hur skjuvning degranulerar partiklar som har belagts i Dendripeps. Kredit:North Carolina State University
Eftersom superbugs blir allt farligare för människors hälsa har forskare från NC State utvecklat ett mjukt material som bevarar läkemedel som kan behandla infektioner utan risk för antimikrobiell resistens.
Tillsammans med sin kollega Christopher Gorman vid Institutionen för kemi och studenterna Ryan Smith och Juliana O'Brien, utvecklade Stefano Menegatti, en universitetsfakultetsforskare och docent i kemi- och biomolekylär ingenjörsteknik, nya dendrimerer – högstrukturerade makromolekyler – som fungerar som ett lim runt nanopartikelmallar. Sådana mallar inkluderar bakteriofager, som är virus som kan infektera och attackera skadliga bakterier i kroppen. Även om de kan vara ett alternativ till traditionella antibiotika, kan de vara svåra att formulera och stabilisera som ett läkemedel. För att förbli säkra och effektiva måste terapeutiska bakteriofager skyddas från miljöförändringar.
Menegatti och hans team fann att dendrimerer i kombination med korta kedjor av aminosyror, eller peptider, kan omge nanopartiklar och hålla dem stabila under en mängd olika förhållanden. Deras team kallar dessa dendrimerer för DendriPeps. Eftersom nanopartiklar är suspenderade i vatten håller dessa lösliga DendriPeps dem i ett slutet, stabilt system.
"Dessa dendrimerbeläggningar bibehåller vatteninnehållet inuti ett virus samtidigt som de fungerar som en protonsvamp och skyddar viruset från salt- eller pH-förändringar," sa Menegatti. "Det är en mjuk men ogenomtränglig barriär. Den upprätthåller en trevlig miljö för viruset."
När DendriPeps väl har belagt nanopartiklar, utlöser lokaliserad skjuvning deras frisättning och deras terapeutiska aktivitet. Mjuka material kan utformas för att reagera fysiskt och kemiskt på stimuli som temperatur, tryck och fukt. Skjuvning är en idealisk stimulans för läkemedelstillförselapplikationer eftersom den är nästan allestädes närvarande i hela kroppen. Ögonlock orsakar skjuvning när de blinkar; avfall skär tarmväggen under rötning; skjuvning skapas när man gnider något på huden. Detta gör att DendriPeps kan behandla lokala infektioner.
"Skärning är ofta en bortglömd stimulans," sa Menegatti. "Med den här uppfinningen ville vi fylla den luckan, och Dendripeps erbjöd en fantastisk möjlighet att göra det."
When a cluster of DendriPep-coated nanoparticles is sheared, it degranulates, releasing the single particles. These particles can in turn release a therapeutic payload, or, like the bacteriophages, infect and kill dangerous bacteria. When therapeutic action is not needed, shear is removed and the particles are recoated with DendriPeps and recluster. This stops the payload release.
This formulation can protect bacteriophages. This offers a way of replacing antibiotics in some critical applications:The widespread use of antibiotics has developed superbugs—bacteria that are resistant to standard doses of antibiotics. The research team is also developing more DendriPep-based nanomedicines to deliver new drugs like viral vectors in gene therapy.
In the past few years, Menegatti has been honored as a Goodnight Early Career Innovator and an NC State Faculty Scholar. He has also received an ALCOA Foundation Research Achievement Award, a Chancellor's Innovation Fund grant, and an NSF Early Career award. Currently, his research has shifted toward gene therapy manufacturing technology and creating more efficient production processes. It's in a similar vein to his dendrimer research:He's seeking ways to overcome natural and systematic hurdles in biomedicine. His goal is to improve manufacturing of and access to better medicine.
"DendiPeps could be the missing link in material sciences to make therapeutic viruses the center of the next-generation antimicrobials and drugs," Menegatti said. + Utforska vidare
