Ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat modulära nanopartiklar som enkelt kan anpassas för att rikta in sig på olika biologiska enheter som tumörer, virus eller toxiner. Ytan på nanopartiklarna är konstruerad för att vara värd för alla valbara biologiska molekyler, vilket gör det möjligt att skräddarsy nanopartiklarna för ett brett spektrum av applikationer, allt från riktad läkemedelsleverans till neutraliserande biologiska medel.
Det fina med denna teknik ligger i dess enkelhet och effektivitet. Istället för att skapa helt nya nanopartiklar för varje specifik applikation kan forskare nu använda en modulär nanopartikelbas och bekvämt fästa proteiner som riktar sig mot en önskad biologisk enhet.
Tidigare krävde att skapa distinkta nanopartiklar för olika biologiska mål att gå igenom en annan syntetisk process från början till slut varje gång. Men med denna nya teknik kan samma modulära nanopartikelbas enkelt modifieras för att skapa en hel uppsättning specialiserade nanopartiklar.
"Detta är en plug-and-play-plattformsteknik som möjliggör snabb modifiering av en funktionell biologisk nanopartikel", säger Liangfang Zhang, professor i nanoteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.
Zhang och hans team beskriver sitt arbete i en artikel med titeln "A modular approach to enhancing cell membrane-coated nanopartikel functionality using genetic engineering", publicerad 30 oktober i Nature Nanotechnology .
De modulära nanopartiklarna består av biologiskt nedbrytbara polymerkärnor belagda med genetiskt modifierade cellmembran. Nyckeln till deras modulära design är ett par syntetiska proteiner, kända som SpyCatcher och SpyTag, som är speciellt designade för att spontant – och exklusivt – binda till varandra. Detta par används ofta i biologisk forskning för att kombinera olika proteiner.
I den här studien utnyttjade Zhang och hans team paret för att skapa ett system för att enkelt fästa proteiner av intresse på en nanopartikelyta.
Så här fungerar det:SpyCatcher är inbäddad på nanopartikelytan, medan SpyTag är kemiskt kopplad till ett protein av intresse, till exempel ett som riktar sig mot tumörer eller virus. När SpyTag-länkade proteiner kommer i kontakt med SpyCatcher-dekorerade nanopartiklar binder de lätt till varandra, vilket gör att proteiner av intresse enkelt kan fästas på nanopartikelytan.
Till exempel, för att rikta in sig på tumörer, kan SpyTag kopplas till ett protein utformat för att söka upp tumörceller, och det SpyTag-kopplade proteinet fästs sedan till nanopartikeln. Om målet skiftar till ett specifikt virus är processen lika enkel:länka helt enkelt SpyTag till ett protein som riktar sig mot viruset och fäst det på nanopartikelytan.
"Det är ett väldigt enkelt, strömlinjeformat och okomplicerat tillvägagångssätt för att funktionalisera nanopartiklar för alla biologiska tillämpningar", säger Zhang.
För att skapa de modulära nanopartiklarna, genetiskt modifierade forskarna först mänskliga embryonala njure (HEK) 293-celler - en vanlig cellinje i biologisk forskning - för att uttrycka SpyCatcher-proteiner på deras yta. Cellmembranen isolerades sedan, bröts i mindre bitar och belades på biologiskt nedbrytbara polymernanopartiklar.
Dessa nanopartiklar blandades därefter med SpyTag-kopplade proteiner. I den här studien använde forskarna två olika proteiner:det ena riktade sig mot epidermal tillväxtfaktorreceptor (EGFR) och det andra inriktat på human epidermal tillväxtfaktorreceptor 2 (HER2), som båda är vanliga på ytan av olika cancerceller.
Som ett bevis på konceptet testade forskarna dessa nanopartiklar i möss med äggstockstumörer. Nanopartiklarna laddades med docetaxel, en kemoterapimedicin, och administrerades till möss via intravenös injektion var tredje dag för totalt fyra injektioner. Behandling med dessa nanopartiklar undertryckte tumörtillväxt samtidigt som överlevnaden förbättrades. Behandlade möss hade en medianöverlevnad på 63 till 71 dagar, medan medianöverlevnaden för obehandlade möss var 24 till 29 dagar.
Forskarna vill ytterligare förbättra den modulära nanopartikelplattformen för riktad läkemedelsleverans.
Förutom cancerbehandling är Zhang entusiastisk över andra potentiella tillämpningar av denna teknik. "Eftersom vi har en modulär nanopartikelbas kan vi enkelt fästa ett neutraliseringsmedel på ytan för att neutralisera virus och biologiska toxiner," sa han.
"Det finns också potential för att skapa vacciner genom att fästa ett antigen på nanopartikelytan med hjälp av denna modulära plattform. Detta öppnar dörren till en mängd nya terapeutiska tillvägagångssätt."
Mer information: Ett modulärt tillvägagångssätt för att förbättra cellmembranbelagda nanopartiklars funktionalitet med hjälp av genteknik, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01533-w
Journalinformation: Nanoteknik i naturen
Tillhandahålls av University of California - San Diego
