Ta ett piller, eller få en spruta? Med tanke på valet skulle de flesta människor antagligen välja det förra.

Ultrasmå fluorescerande kärna-skal hybrid kiseldioxid nanopartiklar – kända som Cornell Prime Dots eller C'Dots – är bland de nanobärare för terapi som ansågs vara livskraftiga endast genom injektion, men ny Cornell-forskning har visat potentialen för oral administrering.

"Eftersom partiklarna är så små, trodde vi alltid att det kunde vara möjligt att de kunde tas upp i mag-tarmkanalen", säger Ulrich Wiesner, Spencer T. Olin-professorn vid institutionen för materialvetenskap och teknik, vid Cornell Engineering. vars labb utvecklade C'Dots för nästan två decennier sedan.

"Patienter skulle sannolikt föredra att ta piller oralt snarare än att behöva gå till sjukhuset för att få en injektion," sa Wiesner. "De flesta av de nuvarande cancerterapierna administreras genom injektioner. Så motivationen fanns helt klart där."

Wiesner är senior författare till "Overcoming Barriers Associated with Oral Delivery of Differently Sized Fluorescent Core-Shell Silica Nanoparticles", som publicerades 23 november i Advanced Materials .

Co-lead författare är Jacob A. Erstling, Ph.D. '22, och Thomas C. Gardinier, Ph.D. '19, som båda arbetade i Wiesner-gruppen och nu på Elucida Oncology, Inc., ett New Jersey-baserat bioteknikföretag som grundades av Wiesner, samt Nirmalya Bag, en före detta postdoc vid Institutionen för kemi och kemisk biologi i College of Arts and Sciences och nu på fakulteten vid IIT Kharagpur i Indien.

Förutom potentialen för oral administrering av C'Dots för cancer och andra terapier, har forskningen också väckt nytt intresse för ultrasmå kiseldioxid som en hälsofördel. Kiseldioxid är den vanligaste oxiden i jordskorpan och finns i gröna bönor, bananer och bladgrönsaker, bland andra "hälsosamma" livsmedel.

"Ultraliten kiseldioxid kan faktiskt vara ett naturligt material som via tarmens upptag har cirkulerat i djur under miljontals år i evolutionen," sa Wiesner, "och därför kan ge fördelar för kroppen på samma sätt som små mängder järn, koppar, kalcium, magnesium och andra mineraler är kända för att vara viktiga för vårt välbefinnande."

C'Dots potential inom terapeutisk medicin har lett till flera stora upptäckter, inklusive deras förmåga - utan en cytotoxisk nyttolast - att framkalla ett celldödsprogram i cancerceller som saknar näringsämnen som kallas ferroptos. Det senaste C'Dot-genombrottet kom tidigare i år, när man kombinerade antikroppsfragment och ett läkemedel med prickarna permanent utrotade magcancer hos behandlade möss.

Oral administrering av C'Dots har varit en utmaning på grund av flera stora barriärer:tarmslem; tarmepitel; och magsyra. Slemmet skyddar kroppen från sjukdomar genom att bromsa spridningen av främmande föremål mot tarmepitelet – inklusive nanopartiklar. Epitelslemhinnan, som huvudsakligen består av enterocyter som bildar tight junctions, är ett stort hinder för att inte släppa igenom större föremål.

Wiesners grupp utförde många tester på vanliga (inga droger bifogade) nanopartiklar av varierande storlekar, från 5 till 50 nanometer i diameter, och fann partiklar under 20 nanometer (inklusive C'Dots) uppvisade tillräckligt hög permeabilitet genom slemhinnan och epitelet för oralt bruk. leverans.

Gruppen utförde sedan orala tillförselexperiment i ett litet antal möss och fann upptag i blodomloppet och framgångsrik renal clearance utan en proteinkorona som vanligtvis observeras för andra läkemedelsbärare. Wiesner betonade att bevis på upptag via oral leverans hos djur inte är någon garanti för liknande resultat hos människor, men "det faktum att vi hos djur ser att partiklarna tas upp i blodomloppet är signifikant i och för sig."

Gruppen utvecklade också ett polymerbelagt piller, som skulle skydda läkemedelsutrustade C'Dots från nedbrytning i magsyran.

C'Dots förmåga att inducera ferroptos fick Wiesner att tänka på möjliga hälsofördelar med kiseldioxid, som finns i många hälsosamma livsmedel. Wiesner rådfrågade Saurabh Mehta, Janet och Gordon Lankton-professorn vid Division of Nutritional Sciences, vid College of Human Ecology.

"Vi frågade honom,"Vad vet du om antitumöreffekter i en miljö där näringen är rik på biogena kiselprodukter?", sa Wiesner. "Och han sa:'Vi vet inte, ingen har någonsin ställt den frågan.'"

Mehta sa att kiseldioxidens effekter på immunsystemet och tarmmikrobiotan behöver studeras ytterligare.

"Kisel är allestädes närvarande i vårt livsmedelssystem, med dess användning i olika stadier av livsmedelsproduktion, bearbetning och förpackning inklusive som en livsmedelstillsats", säger Mehta, en medförfattare. "Det anses allmänt vara säkert; vissa studier visar också att de kan ha biologisk aktivitet och hälsofördelar, som behöver studeras ytterligare."

Mer information: Jacob A. Erstling et al, Övervinner barriärer förknippade med oral tillförsel av fluorescerande kärnskalsnanopartiklar av olika storlekar, Avancerade material (2023). DOI:10.1002/adma.202305937

Journalinformation: Avancerat material

Tillhandahålls av Cornell University