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Künstliche rote Blutkörperchen für die Arzneimittelabgabe
Seit den 1950er Jahren versuchen Forscher, die Fähigkeiten der roten Blutkörperchen nachzuahmen. Diese flexiblen Scheiben transportieren Sauerstoff durch den Körper und quetschen sich dabei durch die kleinsten Kapillaren. Aber die physikalischen Eigenschaften der roten Blutkörperchen, einschließlich ihrer doppelt konkaven Form, machen es schwierig, sie mit Präzision zu kopieren.
Rot sehen : Diese Partikel bestehen aus biologisch abbaubaren und biokompatiblen Polymeren und Proteinen und haben die gleiche Größe, Form und Flexibilität wie echte rote Blutkörperchen.
In einer am Montag im veröffentlichten Forschung Proceedings of the National Academy of Sciences , hat eine auf die Wirkstoffabgabe spezialisierte Gruppe einen Weg gefunden, biologisch abbaubare, biokompatible Partikel mit der Größe, Form und Flexibilität von roten Blutkörperchen herzustellen. Die Gruppe glaubt, dass diese künstlichen Zellen nicht nur für den Transport von Sauerstoff, sondern auch als therapeutische und bildgebende Mittel besonders effektiv sein könnten.
Menschen haben über tausend verschiedene Polymere unterschiedlicher Größe für die Arzneimittelabgabe hergestellt. Aber wenn man sie alle zusammen betrachtet, repräsentieren sie die synthetische Welt; die Partikel sind schön kugelförmig, sagt Samir Mitragotri , einem Chemieingenieur an der University of California in Santa Barbara, der die neue Arbeit leitete. Betrachtet man die biologische Welt, verwendet die Natur alle möglichen Partikel, um ihre eigenen Güter zu liefern. Bakterien, Zellen und Viren sind alle darauf ausgelegt, sehr spezifische Transportfunktionen auszuführen.
Um die synthetischen Zellen herzustellen, beginnt Mitragotri zusammen mit Forschern der University of Michigan mit kugelförmigen Partikeln aus einem gängigen Polymer namens Poly(milchsäure). Was -Glykolsäure (PLGA), eine Verbindung, die für ihre biokompatiblen und biologisch abbaubaren Eigenschaften bekannt ist. Sie setzen die Kugeln Reinigungsalkohol aus, wodurch sie sich entleeren und in die Grübchenform eines roten Blutkörperchens kollabieren. Das harte PLGA-Partikel fungiert als Schimmelpilz, um den die Forscher Schicht für Schicht Proteine ablagern können. Sie vernetzen die Proteine, um sie an die PLGA zu binden, und lösen dann die starre innere Struktur auf. Das Ergebnis ist eine weiche, flexible Proteinhülle in der Größe und Form eines roten Blutkörperchens. Die Forscher können die Proteinbeschichtungen auch variieren, indem sie beispielsweise Hämoglobin hinzufügen, das Sauerstoff transportieren könnte.
Bisher hat Mitragotri gezeigt, dass die Partikel flexibel genug sind, um sich zu komprimieren und durch kapillargroße Röhrchen zu fließen, und können in fast jeder Phase des Prozesses mit Medikamenten infundiert werden. Seine Gruppe hat auch Eisenoxid-Nanopartikel in die synthetischen Zellen eingekapselt und so ein potenzielles Kontrastmittel für MRTs geschaffen. Man kann sich vorstellen, diese Partikel ins Blut zu geben und sie zur Visualisierung des Blutflusses zu verwenden, sagt Mitragotri.
Insgesamt habe ich so etwas noch nie gesehen. Sowohl das Konzept als auch die von ihnen entwickelten Herstellungsmethoden sind sehr interessant, sagt Ali Khademhosseini , ein biomedizinischer Ingenieur an der Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology. Es gibt eine zunehmende Erkenntnis darüber, wie wichtig die Form von Partikeln für eine Vielzahl verschiedener Dinge ist, beispielsweise die Hydrodynamik von Partikeln in Flüssigkeiten oder wie verschiedene biologische Einheiten mit ihnen interagieren.
Solche flexiblen, potenziell langlebigen Partikel bergen ein großes Potenzial für die Wirkstoffabgabe. Doch Mitragotri hat noch nicht geschaut, ob die synthetischen Zellen der schwierigsten Prüfung standhalten: dem Verbleib im Kreislauf. Der Nachweis, dass die Partikel im Blutkreislauf verbleiben und keinen Immunangriff auslösen, ist ein kritischer Schritt, der Tierversuche erfordert.
1966 habe ich ähnliche [Partikel] hergestellt, die sich in Form und Größe ändern können, sagt ein künstlicher Blutforscher Thomas ändern von der McGill University in Quebec, Kanada. Diese Zellen, sagt er, könnten sich auch durch Kapillarröhrchen quetschen und hätten etwa die gleiche Größe wie rote Blutkörperchen. Das Problem war, dass selbst synthetische Zellen, die ein Achtel der Größe normaler Blutzellen hatten, innerhalb von 30 Sekunden aus dem Blut entfernt wurden. (In den 1970er Jahren fanden Forscher heraus, dass künstliche Blutpartikel bei 200 Nanometern oder weniger am besten funktionieren – 30-mal kleiner als rote Blutkörperchen.) Die Hauptsache ist, zu zeigen, dass sie im Umlauf bleiben, sagt Chang.
Selbst die fortschrittlichsten synthetischen Partikel werden unglaublich schnell aus dem Blut entfernt. Das am längsten zirkulierende Nanopartikel aller Zeiten hielt etwa 24 Stunden durch, daher besteht die Notwendigkeit, einen Ansatz für etwas zu entwickeln, das über einen langen Zeitraum im Blutkreislauf zirkulieren kann, sagt Jeffrey Karp , einem Harvard-MIT-Professor für Gesundheitswissenschaften und -technologie. Aber die neue Forschung könnte ein großer Schritt in diese Richtung sein, sagt er, wenn der Körper die synthetischen Zellen wie echte rote Blutkörperchen zwei bis drei Monate lang zirkulieren lässt. Karp sagt, dass die Produktionsmethoden, die Mitragotri und seine Kollegen verwendeten, ohne große Schwierigkeiten skaliert werden könnten.
Unter der Annahme, dass die Zellen dem Kreislauftest der Zeit standhalten, würde ich denken, dass jeder, der versucht, ein Nanopartikel-ähnliches System zur Abgabe oder zur Bildgebung zu verwenden, gute Gründe hat, sich für diese Partikel zu entscheiden, sagt Daniel Pack , ein Forscher im Bereich der Arzneimittelabgabe an der University of Illinois in Urbana-Champaign.
Mitragotri sagt, dass der nächste Schritt Tierversuche sein werden. Er möchte auch nach anderen Möglichkeiten suchen, die Liefermethoden der Natur nachzuahmen. Wir haben mit roten Blutkörperchen angefangen, aber mir fallen noch viele andere ein, die interessant sein könnten, wie Viren und Bakterien, sagt er. Sie haben Ihre synthetische Welt auf der einen Seite und Ihre biologische Welt auf der anderen, und wir möchten die Kluft zwischen diesen beiden Extremen so gut wie möglich überbrücken.