Fluorescerande "prickar" - det vill säga små partiklar som kan avge ljus - har en mängd lovande biomedicinska tillämpningar, från att hjälpa läkare att bättre identifiera tumörmarginaler till att leverera ett läkemedel djupt i kroppen. Men att göra sådana prickar är vanligtvis en lång och tråkig process som använder starka kemikalier. Nu utvecklar NIBIB-finansierade forskare en fluorescerande prick som inte bara är enklare att göra, utan som använder miljövänliga material.

"Denna proof-of-principle-studie beskriver ett nytt, "grönt" tillvägagångssätt för att tillverka fluorescerande nanomaterial, som är kommande molekyler inom det biomedicinska området, säger Tatjana Atanasijevic, Ph.D., chef för NIBIB-programmet i Molekylära sonder och bildframställningsmedel. "Den forskning som beskrivs här ger grundläggande insikter som kan leda till ett billigare och säkrare sätt att syntetisera denna viktiga typ av nanopartiklar."

Traditionella syntesmetoder för fluorescerande prickar kräver vanligtvis användning av organiska lösningsmedel, som är effektiva för att hjälpa till att bryta ner ämnen och underlätta kemiska reaktioner. Organiska lösningsmedel kan dock vara brandfarliga, flyktiga och cancerframkallande och är potentiellt farliga om de hanteras fel. Syntesen av fluorescerande prickar är dessutom vanligtvis tidskrävande och komplex, vilket representerar en mängd olika utmaningar för storskalig tillverkning.

Men forskare från University of Nebraska Medical Center (UNMC) arbetar med en alternativ strategi. De kombinerar hyaluronsyra, en vanlig kolhydrat, tillsammans med specifika aminosyror (molekylerna som utgör proteiner). Båda dessa komponenter är rikliga i våra kroppar, och, viktigare, båda kan lösas upp i vatten. Den senare egenskapen förnekar behovet av giftiga organiska lösningsmedel.

"Till skillnad från traditionella fluorescerande prickar, kombinerar våra prickar två naturligt förekommande material", förklarade senior studieförfattare Aaron Mohs, Ph.D., en docent vid avdelningen för farmaceutiska vetenskaper vid UNMC. "Det här underlättar inte bara syntesen av vårt nanomaterial - eftersom vi kan rena prickarna med bara vatten - utan det drar också nytta av biokompatibiliteten hos dessa molekyler, vilket potentiellt gör dem till en idealisk nanopartikel för en mängd olika miljöer." Mohs forskning om dessa fluorescerande prickar rapporterades nyligen i tidskriften ACS Omega .

Vanligtvis, när forskare gör fluorescerande partiklar, använder de ett utgångsmaterial som har fluorescerande egenskaper. Men varken hyaluronsyra eller aminosyror är särskilt fluorescerande på egen hand. För att få sina prickar att glöda utnyttjar Mohs och kollegor den unika kemin som uppstår när dessa material kombineras. Eftersom hyaluronsyra interagerar med vissa aminosyror, kan elektronerna som dessa molekyler delar bli begränsade, vilket påverkar hur elektronerna reagerar när de utsätts för särskilda våglängder av ljus. Detta fenomen är känt som cross-linked-enhanced emission. Resultatet? Prickarna lyser blå under specifika förhållanden, vilket gör att nanopartiklarna kan visualiseras i celler.

Utöver biomedicinska avbildningstillämpningar ville forskarna undersöka om dessa fluorescerande nanopartiklar kunde användas för läkemedelsleverans. De laddade sina prickar med doxorubicin, en vanlig cancerkemoterapeutikum, och utvärderade dess läkemedelsfrisättande egenskaper och cytotoxiska effekter. Jämfört med standard doxorubicin frisatte de doxorubicinladdade prickarna läkemedlet långsammare i standardanalyser för läkemedelsfrisättning och visade ökad död i bröstcancerceller. "Medan en avsevärd mängd standard doxorubicin pumpas ut ur cellerna genom läkemedelsutflödesmekanismer, när vi fångar läkemedlet i punkten, kringgår vi troligen denna effekt något", förklarade första studieförfattaren Deep Bhattacharya, Ph.D., som är nu senior forskare på Pfizer. "Denna infångning i nanodotten möjliggör en ökad terapeutisk nyttolast och förlängd doxorubicinfrisättning i celler."

Mohs noterade att detta proof-of-concept-arbete bara är början för deras fluorescerande prickar. "Vi skulle vilja göra ytterligare modifieringar av dessa prickar för att göra dem bättre för biologisk detektion i vävnader," sade han. "Men den här första studien visade både avbildnings- och läkemedelsleveransegenskaperna hos dessa prickar, som vi kan göra med miljövänliga material." + Utforska vidare

Läkemedelsinkapslande nanopartikel för att mäta hur kemoterapiformuleringar mot cancer kommer in i cellerna