En forskargrupp med flera institut använde håriga nanokristaller av cellulosa, utvecklade från huvudkomponenten i växtcellväggar och användes i en mängd olika material, inklusive papper, för att fånga upp kemoterapiläkemedel utanför målet för att förhindra vävnadsskador. Kredit:Kate Myers/Penn State
Standardkemoterapier kan effektivt döda cancerceller, men de utgör också betydande risker för friska celler, vilket resulterar i sekundär sjukdom och försämrad livskvalitet för patienter. För att förhindra den tidigare oundvikliga skadan har forskare, ledda av Penn State, utvecklat en ny klass av nanomaterial konstruerade för att fånga kemoterapiläkemedel innan de interagerar med frisk vävnad.
"För att minska effekterna av cancerläkemedel utanför målet under och efter lokal kemoterapi, är det nödvändigt att eliminera deras systemiska cirkulation", säger huvudforskaren Amir Sheikhi, biträdande professor i kemiteknik och biomedicinsk teknik vid Penn State. "Tillgängliga och föreslagna plattformar för att ta bort oönskade läkemedel - i första hand kemoterapiläkemedlet doxorubicin (DOX) - från blodet är ytterst ineffektiva och misslyckas med att ta bort tillräckligt mycket av läkemedlet för att förhindra skador. Vi har utvecklat ett mycket effektivt tillvägagångssätt som fångar DOX med en kapacitet som är mer än 3 200 % högre än andra plattformar, såsom DNA-baserat material."
Metoden, nu tillgänglig online före marsnumret av Materials Today Chemistry , är baserad på håriga nanokristaller av cellulosa - nanopartiklar som utvecklats från huvudkomponenten i växtcellväggar och konstruerade för att ha ett enormt antal "hår" av polymerkedjor som sträcker sig från varje ände. Dessa hårstrån ökar den potentiella drogfångningskapaciteten hos nanokristallerna betydligt utöver den för konventionella nanopartiklar och jonbytarhartser, enligt Sheikhi.
"Såvitt vi vet finns det för närvarande inget nanopartikelbaserat läkemedelsinfångningssystem med superkapacitet," sa Sheikhi och noterade att utvecklingen av ett sådant system kan ha betydande inverkan på cancerbehandlingsplaner. "För vissa organ, som levern, kan kemoterapi administreras lokalt genom katetrar. Om vi kunde placera en enhet baserad på nanokristallerna för att fånga upp överskottet av läkemedel som lämnar leverns nedre hålven, ett stort blodkärl, skulle läkare potentiellt kunna administrera högre doser av kemoterapi för att döda cancern snabbare utan att oroa dig för att skada friska celler. När behandlingen är klar kan enheten tas bort."
För att producera håriga cellulosananokristaller som kan fånga kemoterapiläkemedel, behandlade forskarna kemiskt cellulosafibrer som finns i barrvedsmassa och gav hårstrån en negativ laddning, vilket gjorde dem stabila mot blodets jonsammansättning. Enligt Sheikhi korrigerar detta ett fel hos konventionella nanopartiklar, vars laddning kan göras inert eller reduceras när de utsätts för blod, vilket begränsar antalet positivt laddade läkemedelsmolekyler med vilka det kan binda till obetydliga antal.
Nanokristallernas bindningseffekt testades i humant serum, den proteinrika delen av blod som inte innehåller röda eller vita blodkroppar eller blodplättar. För varje gram håriga cellulosananokristaller togs mer än 6 000 milligram DOX effektivt bort från serumet.
"De håriga nanokristallerna tillät oss att pressa gränsen med minst två till tre storleksordningar jämfört med vissa andra tillgängliga plattformar," sa Sheikhi.
Forskarna fann också att nanokristallerna inte hade någon skadlig effekt på röda blodkroppar i helblod eller på celltillväxt i mänskliga endotelceller i navelvenen.
"Vi fann att de håriga cellulosananokristallerna binder till positivt laddade läkemedel i humant serum och fångar DOX omedelbart, och de gör det utan att påföra någon cytotoxicitet eller hemolytiska effekter," sa Sheikhi. "Vi föreställer oss att denna effektiva, giftfria nanopartikel kan vara en byggsten för nästa generations enheter för att fånga upp överflödiga droger och ta bort oönskade molekyler från kroppen, såsom psykedelika och toxiner."
Enligt Sheikhi har användningen av håriga nanokristaller av cellulosa långtgående konsekvenser utanför kroppen. Hans team konstruerade nyligen nanokristaller som selektivt kan binda till neodym, ett sällsynt jordartsmetall, för att rädda värdefullt material från elektroniskt avfall.
"Vi är glada över att introducera ett nytt material med så hög kapacitet att separera en mängd olika element, vilket förhoppningsvis kommer att öppna nya möjligheter för ett brett spektrum av applikationer," sa Sheikhi.
Sheikhi började detta arbete som postdoktor vid University of California, Los Angeles, i laboratoriet hos Ali Khademhosseini, nu verkställande direktör för Terasaki Institute for Biomedical Innovation. Andra bidragsgivare från Penn State inkluderar Joy Muthami och Patricia Wamea, båda nyutexaminerade inom kemiteknik; och Mica Pitcher, doktorand i kemi. UCLA-bidragsgivare inkluderar Sarah A.E. Young, Peter Antovski, Robert Denis Murphy, Andrew Schmidt, Samuel Clark och för en del av forskningen Reihaneh Haghniaz. Haghniaz är nu knuten till Terasaki Institute for Biomedical Innovation. + Utforska vidare
